kosmischer Materiekreislauf und Evolution der Materie

kosmischer Materiekreislauf und Evolution der Materie
kosmischer Materiekreislauf und Evolution der Materie
 
Aus der Sicht der Kosmologie ist das Universum weitgehend von der linearen Zeit geprägt, die gleichmäßig voranschreitet und sich in einer monotonen Änderung der physikalischen Bedingungen im Universum zeigt, vor allem in der allgemeinen Expansion des Kosmos. In der Welt der Biologie dagegen, geprägt durch ein komplexes Geflecht von Zyklen der unaufhörlichen Wiederholung von Tag und Nacht, Werden und Vergehen, Zeugung und Tod, manifestiert sich die zyklische Zeit. Physik und Astrophysik beschreiben zwischen diesen beiden Extremen das Wechselspiel von zyklischer und linearer Zeit, die Grundlage für alle Evolutionsprozesse. Die Bewegung auf einer Spirale ist ein schönes Bild dafür.
 
 Entfaltung kosmischer Hierarchien
 
Mit der Bildung von Galaxien entstanden im Universum die Bühnen, auf denen großräumige zyklische Prozesse ablaufen können. In seiner Frühphase war der Kosmos mehr oder weniger gleichmäßig mit Materie ausgefüllt, die nur eine sehr schwache Strukturierung zeigte. Erst die Entkopplung von Strahlungsfeld und Materie erlaubte die Entstehung von materiellen Objekten im eigentlichen Sinn.
 
Beginn der Strukturierung
 
Im Universum sind die materiellen Objekte im Wesentlichen Gleichgewichtszustände. Anziehende Kräfte binden die Materie aneinander, abstoßende Kräfte erhalten ihre jeweilige räumliche Erscheinungsform aufrecht. Im Materiekosmos ist die Gravitation die einzige anziehende Kraft, die den verschiedenen Druckkräften — wie etwa dem Strahlungsdruck — über große Abstände das Gleichgewicht halten oder diese Kräfte sogar überwinden kann.
 
Mit zunehmender Abkühlung und Verdünnung des Kosmos stehen der Materie immer mehr unterschiedliche Druckkräfte zur Verfügung, die mit der Eigengravitation von Materieansammlungen ein Gleichgewicht eingehen und so verschiedenartige Objekte bilden können. Mit der zunehmenden Differenzierung der materiellen Gleichgewichtszustände geht ein Prozess der immer feineren räumlichen Strukturierung einher, der schließlich für die hierarchische Struktur des Kosmos verantwortlich ist. Dabei überlagern sich zwei Vorgänge: das Auftauchen der primordialen Fluktuationen innerhalb des anwachsenden Horizonts und das Zurücktreten der mittleren Druckkräfte gegenüber der Gravitation im Verlauf der Ausdehnung und Abkühlung des Universums. Damit Letzteres geschehen konnte, musste das Universum erst aufklaren, das heißt für Strahlung transparent werden. Während vor dem Aufklaren nur Massen über 1015 M gravitationsinstabil waren, wurden danach immer kleinere Inhomogenitäten, von 106 M an abwärts, instabil. In kontrahierenden Massen waren zunehmend kleinere Einheiten in der Lage, Gleichgewichte mit lokalen Druckmaxima herzustellen, was schließlich zum Vorgang der Fragmentation führte.
 
Der Prozess der Strukturierung des Kosmos war nur durch das subtile Wechselspiel der Gravitation mit den drei andern fundamentalen Wechselwirkungen möglich (elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkung). Er spiegelt im Wesentlichen die mit abnehmender Energiedichte fortschreitende Symmetriebrechung wider. Dabei zeigen die weniger massiven Objekte eine immer deutlichere Polarisierung in gegensätzliche Zustände. Während Galaxienhaufen und Galaxien sich noch recht ähnlich sind, unterscheiden sich Sterne und interstellare Wolken grundlegend voneinander. Anderseits verkürzt sich mit der zunehmenden Entwicklung von Galaxien zu Sternen und von Elementarteilchen zu Festkörpern die mittlere absolute Lebenserwartung der Objekte. Als Folge davon kommt es zu einem ständigen Materieaustausch auf der untersten kosmischen Stufe, also zwischen den Sternen und den Gaswolken der interstellaren Materie.
 
Evolution der Materie
 
Die Polarisierung der kosmischen Materie in Galaxienhaufen und Galaxien sowie in Sterne und interstellare Wolken bildet die Basis für jenes Phänomen, das wir als kosmische Evolution im weitesten Sinn auffassen können. Streng genommen findet diese Evolution allerdings nicht auf der Ebene der kosmischen Objekte statt, sondern zunächst nur im mikrophysikalischen Bereich der Teilchen. Bemerkenswerterweise kommt es dabei zu gegenläufigen Prozessen: Während die großskaligen Einheiten mehr und mehr zerfallen, bauen sich die Elementarteilchen zu Atomen und diese zu Molekülen und Festkörpern bis hin zu Planeten auf. Und während die Zustände von Sternen und Gaswolken vollkommen disjunkt sind, zeigt die kondensierte Materie mit fortschreitender Entwicklung ein immer differenzierteres Spektrum ihrer Eigenschaften.
 
Evolution der Materie im eigentlichen Sinn setzt dort ein, wo die Materie offenbar gegen den Zwang, in den energetisch günstigsten Zustand, den Gleichgewichtszustand, zu fallen, einen Zustand weitab von diesem einnimmt und dabei mikroskopische Strukturen erzeugt, die über lange Zeit nicht instabil werden und ihren eigenen Bildungsprozess beeinflussen können. Die höchste Stufe der kosmischen Hierarchie, auf der wir heute solche evolutiven Prozesse beobachten können, bilden die am kosmischen Materiekreislauf beteiligten Objekte. Vor allem die Kondensation ursprünglicher Festkörper in den Staubhüllen der Riesensterne sowie die Vorgänge in den interstellaren Molekülwolken spiegeln einfache Mechanismen von Evolutionsprozessen wider.
 
 Das interstellare Medium
 
Erst im 20. Jahrhundert wurde entdeckt, dass die unvorstellbaren Weiten des Raums zwischen den Sternen nicht leer sind, sondern überall ein äußerst dünnes und differenziert zusammengesetztes Medium enthalten. Abgesehen von der allgegenwärtigen Strahlung unterschiedlichster Energie umfasst dieses interstellare Medium auch Plasmen (also ionisierte Materie) sowie neutrale Gase und Festkörper. Bei Letzteren handelt es sich um sehr kleine Staubkörner, die zum Teil komplexe Strukturen aufweisen. Im Durchschnitt enthält der Weltraum ungefähr ein Atom pro Kubikzentimeter und ein Staubkorn pro 100 000 Kubikmeter — die Dichte der interstellaren Materie ist also äußerst gering.
 
Chemisch setzt sich die interstellare Materie (ISM) ähnlich zusammen wie die Sterne. Sie besteht etwa zu 90 % aus Wasserstoff und zu 10 % aus Helium. Die schweren Elemente machen weniger als 1 % der Teilchen aus (man beachte dabei, dass in der Astronomie — im Gegensatz zur irdischen Physik — alle Elemente jenseits des Heliums als »schwer« gelten). Allerdings unterscheidet sich die interstellare Materie von den Sternen dadurch, dass die schweren Elemente überwiegend im Materiestaub kondensiert sind und deshalb in der gasförmigen Komponente mehr oder weniger fehlen. Lediglich in Gasen wie CO (Kohlenmonoxid) und N2 (molekularer Stickstoff) sowie in den Edelgasen bleiben die schweren Elemente dem interstellaren Gas erhalten.
 
Struktur der interstellaren Materie
 
Im interstellaren Medium ist das Strahlungsfeld im Allgemeinen homogen und isotrop. Die Materieverteilung dagegen zeigt eine komplexe, hierarchische Struktur, bei der sich grob zwei Zustandsformen unterscheiden lassen: die heiße interstellare Materie und die kalte interstellare Materie. Beide Formen werden durch ein hydrostatisches Gleichgewicht zwischen Gravitation und thermischem Druck stabilisiert. Sie unterscheiden sich jedoch erheblich im Verhältnis von Dichte zu Temperatur sowie in den Komponenten, die den jeweiligen Druck aufbringen.
 
In der heißen ISM, mit Temperaturen über 10 000 K, treten alle vorhandenen Elemente atomar auf und sind überdies weitgehend ionisiert, sodass die mittlere relative Molekülmasse ihrer Teilchen mit weniger als 0,6 deutlich unter der des Wasserstoffs liegt. Wegen des zahlenmäßigen Überwiegens der freien Elektronen und der Gleichverteilung der kinetischen Energie unter allen Teilchen enthalten die Elektronen den größten Teil der inneren Energie und bestimmen den Gesamtdruck der Materie.
 
Im Gegensatz zum idealen Gas, das auf Kompression mit Druckerhöhung reagiert, wird das »Elektronengas mit einigen schweren Ionen« der heißen ISM bei Kompression kälter, weil mit zunehmender Dichte die Elektronen und die positiv geladenen Atomrümpfe zu rekombinieren beginnen. Dadurch reduziert sich die Teilchenzahl, und innere Energie geht in Form von Strahlung verloren; Druck und Temperatur nehmen also ab. Erst wenn der Ionisationsgrad auf einige Prozent gefallen ist, überwiegt der Druck des atomaren Gases. Wegen der niedrigen Temperatur können sich Wasserstoffmoleküle und einige schwerere Moleküle bilden, bis sich die Teilchenzahl bei weiterer Kompression kaum mehr verringert. Bei einer mittleren relativen Molekülmasse von fast 2,4 wird ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht — derjenige der kalten ISM —, der etwa den gleichen Druck, aber eine etwa 1000-mal höhere Dichte und eine im gleichen Verhältnis niedrigere Temperatur aufweist.
 
Die beiden Zustandsformen der ISM lassen sich somit anschaulich als heißes Elektronengas und als kaltes Molekülgas charakterisieren. Letzteres kann zusätzlich durch den Druck, den ein Magnetfeld auf die verbliebenen Ionen ausübt, stabilisiert werden. Die Phasenübergänge zwischen den beiden Zustandsformen, das »Kondensieren« des heißen Elektronengases auf den Atomrümpfen und das »Verdampfen« der Elektronenhüllen, spielen eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung und somit beim kosmischen Kreislauf der Materie.
 
Innerhalb der beiden Phasen können wir weitere Strukturen und Zustände unterscheiden, in denen sich die unterschiedlichen physikalischen Randbedingungen der jeweiligen Materie widerspiegeln. Bei der heißen ISM lässt sich ein sehr heißer Bereich mit Temperaturen um eine Million Kelvin und einer Dichte von 100 Teilchen pro Kubikmeter deutlich von einem weniger heißen Bereich unterscheiden, der um den Faktor 10 kälter und dichter ist.
 
Der heiße Bereich umspannt wie eine Art Halo die gesamte Galaxis und dehnt sich auch senkrecht zur Scheibenebene über mehrere tausend Lichtjahre aus. Der weniger heiße Bereich zeigt eine eher wolkige Struktur. Oft trennt er auch die heiße interstellare Materie, die etwa die Hälfte des Volumens des interstellaren Raums ausfüllt, von der kalten interstellaren Materie, die einen Volumenanteil von 10 bis 15 Prozent besitzt und inselartig in der heißen interstellaren Materie schwimmt.
 
Auch im kalten Medium, dem Molekülgas, lässt sich ein wärmeres Zwischenwolkengas mit einer Temperatur von etwa 6000 K und 100 000 Teilchen pro Kubikmeter von den eigentlichen kalten, diffusen Wolken unterscheiden, die bei Temperaturen von 100 K mindestens tausendmal dichter sind und als isolierte Bereiche im Zwischenwolkengas liegen. Solche diffusen Wolken gibt es mit unterschiedlichen Dichten und Temperaturen. Die dichtesten und kältesten von ihnen, die Molekülwolken, haben eine Temperatur von nur 10 bis 20 K und eine Dichte von einer Million Teilchen pro Kubikzentimeter. Für sichtbares Licht sind sie ebenso undurchlässig wie für die aggressive kurzwellige Strahlung des interstellaren Raums. Aus diesem Grund enthalten sie zahlreiche, zum Teil erstaunlich komplexe organische Moleküle, darunter auch die schwersten bekannten interstellaren Moleküle, das Cyanopolyacetylen (HC11N) und die Aminosäure Glycin (H2NCH2COOH).
 
Zusammenfassend ergibt sich folgende Struktur der interstellaren Materie: Eine sehr heiße Komponente, die wie ein Halo die gesamte galaktische Scheibe umspannt, enthält Wolken der kalten Komponente. Im Grenzbereich zu diesen kalten Wolken ist sie leicht abgekühlt und hat eine etwas höhere Dichte.
 
Die kalten Wolken liegen im Wesentlichen auf den Spiralarmen der galaktischen Scheibe. Sie sind von einem warmem Zwischenwolkengas umgeben und bilden unterschiedlich dichte Gravitationszentren aus. Dort, wo junge Sterne aufleuchten, wird die kalte Materie aufgeheizt und durch Strahlungsdruck weggeblasen.
 
Die verschiedenen Wolken der interstellaren Materie bewegen sich in der Regel mit Geschwindigkeiten um 10 km/s. Bei den heißeren Komponenten treten zum Teil auch höhere Geschwindigkeiten auf, die bis zu 2000 km/s erreichen können.
 
Sichtbare interstellare Materie
 
Einem Beobachter auf der Erde oder einem Satelliten im All können sich die diffusen Wolken der kalten interstellaren Materie als sehr unterschiedliche Objekte präsentieren. Das Aussehen der Wolke hängt nämlich nicht nur von ihrer Dichte ab, sondern auch von ihrer Position zu den nächsten Sternen. Astronomen unterscheiden dabei drei Gruppen:
 
Dunkelwolken stehen im Vordergrund von Sternfeldern oder andern Lichtquellen und absorbieren deren Strahlung so stark, dass sie am Himmel als sternarme Zonen inmitten von leuchtenden Nebeln erscheinen. Besonders kleine und kompakte Dunkelwolken heißen Globulen. Oft sind die Dunkelwolken gravitationsinstabil und kollabieren zu protostellaren Wolken.
 
Reflexionsnebel befinden sich seitlich von hellen Sternen oder hinter diesen. Sie reflektieren das Licht der Sterne und heizen sich dabei auf rund 100 K auf. Weil die interstellaren Staubkörner kurzwelliges Licht wesentlich stärker streuen als langwelliges, erscheint uns das reflektierte Licht deutlich blau verfärbt.
 
H II-Gebiete nehmen eine Zwischenstellung ein. Heizen junge Sterne innerhalb einer diffusen Wolke das Gas so stark auf, dass der Wasserstoff ionisiert wird, so bildet sich ein Gebiet von 10 000 K heißem Gas aus, das intensiv rot leuchtet. H II-Gebiete sind stets in das kalte Medium eingebettet und breiten sich dort instabil aus.
 
 Die Sterne
 
Trotz der dynamischen Prozesse im interstellaren Medium befindet sich die heiße interstellare Materie in einer Art »Ruhezustand«, solange ihr hydrostatisches Gleichgewicht nicht entscheidend gestört wird. Überholt jedoch eine Dichtewelle die zwischen den Spiralarmen einer Galaxie vorhandene heiße ISM, dann wird durch die vorübergehende Kompression oftmals der für die Stabilität der heißen Phase maximale Druck überschritten. Dies führt dann dazu, dass die Materie kollabiert und in den kalten Gleichgewichtszustand übergeht. Wenn die kollabierende Masse die Jeans-Masse übertrifft, dann setzt sich der Gravitationskollaps über die kalte Phase hinaus fort, bis sich eine protostellare Wolke bildet und die Geburt von Sternen einleitet.
 
Andere Störungen des Gravitationsfelds, die einen Phasenübergang von der heißen zur kalten interstellaren Materie verursachen können, sind die von Supernova-Explosionen ausgehenden Druckwellen. Und schließlich kann die Geburtenrate der Sterne auch ansteigen, wenn Galaxien miteinander kollidieren oder wenn es in den galaktischen Kernen zu bestimmten Aktivitätsphasen kommt.
 
 
Die Vorgänge, die zur Sternentstehung führen, sind im Detail so komplex, dass wir derzeit lediglich eine qualitative Beschreibung geben können. Unklar bleibt dabei vor allem die genaue Rolle des kosmischen Staubs. Offensichtlich ist nur, dass er die Durchlässigkeit für die Strahlung bestimmt. Das Licht von Protosternen zum Beispiel ist hinter dichten Staubwolken verborgen, und diese verschieben die Strahlung in den Bereich langwelliger Wärmestrahlung. Ferner bildet der kosmische Staub eine wesentliche Komponente der Akkretionsscheiben von jungen Sternen, und er liefert das Baumaterial für die Planetensysteme von Einzelsternen.
 
Die Frage, bei welchen Drücken und Temperaturen eine Materieansammlung ein stabiles Gleichgewicht findet, hängt entscheidend von der Zustandsgleichung der jeweiligen Materie ab. Eine solche Zustandsgleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Dichte, also zwischen expansiven und gravitativen Kräften. Wie sich die Temperatur bei einer Druckänderung verhält, wird dabei von der Energiebilanz bestimmt, das heißt davon, wie Kühlung oder Heizung den Zustand der Materie verändern. Vor diesem Hintergrund kann man die beiden Hauptzustände der interstellaren Materie sowie die aktiven Sterne (die durch Kernfusion Energie erzeugen) als verschiedene Gleichgewichte eines idealen Gases bei unterschiedlichen Energiebilanzen auffassen.
 
Die beiden Phasen der interstellaren Materie unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, dass die dichtere kalte Phase dank ihrer Moleküle über eine wesentlich bessere Kühlung verfügt, während die dünnere heiße Phase nur Atome und sehr viele freie Elektronen enthält. Nimmt beim Gravitationskollaps in der kalten Phase die Dichte der Materie um viele Größenordnungen zu, so wird sie schließlich für die kühlende Strahlung undurchlässig, heizt sich wieder auf und wird erneut zu einem atomisierten Plasma.
 
Dieser Zustand ist jedoch nicht stabil, weil die Materie einseitig Energie in die transparente Umgebung abstrahlt. Der Energieverlust führt dann zu einem weiteren Kollaps. Ein neuer Gleichgewichtszustand wird aber erst erreicht, wenn Druck und Temperatur des neugeborenen Sterns so hoch geworden sind, dass durch den Zugriff auf das Reservoir der Kernenergie des dann geborenen Sterns die Energiebilanz stark temperaturabhängig wird. Jede weitere Temperaturerhöhung erzwingt nun eine dramatische Zunahme der Energieproduktion durch Kernfusion. Dies erhöht den Strahlungsdruck und treibt die Materie auseinander, bis die Temperatur wieder unter einen kritischen Wert sinkt.
 
Gleichgewichtszustände von Sternen
 
Die aktiven stellaren Kerne stellen Gleichgewichte dar, die durch die Temperaturabhängigkeit der Energiefreisetzung im Zentrum bestimmt sind. Sobald das Brennmaterial für das jeweilige Gleichgewicht verbraucht ist, kollabiert der Kern und geht zum nächsten Stadium über. Der vom Wasserstoffbrennen beherrschte Hauptreihenstern entwickelt sich zum heliumbrennenden Riesen und Überriesen bis hin zum kohlenstoffbrennenden Stern.
 
Während die Materie in der ausgedehnten Hülle der Überriesen ihren Rückweg in die interstellare Materie beginnt, schickt sich der stellare Kern an, diesen Materiekreislauf zu verlassen und zieht sich zu immer kompakteren Zuständen zusammen. Dabei wird die Reihe der dynamischen Gleichgewichte zugunsten eines statischen Gleichgewichts verlassen. Die Ursache dafür ist die Erschöpfung der Fusionsquellen, deren Ausbeute mit zunehmender Größe der erzeugten Atomkerne immer mehr sinkt. Um den stabilisierenden Druck im Zentrum des Sterns aufrechtzuerhalten, verläuft die Kernfusion immer heftiger, bis schließlich sämtliche Reserven an Eisen aufgebraucht sind.
 
Wegen der permanenten Abstrahlung von Energie kann der thermische Druck des Plasmas dann nicht mehr aufrechterhalten werden. Deshalb kontrahiert die Materie erneut, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt, bei dem nun aber der Entartungsdruck der Elektronen die entscheidende Rolle spielt, deren Geschwindigkeit sich bei Kontraktion erhöht. Als Folge dieser erneuten Stabilisierung hat sich nun ein Weißer Zwerg gebildet. Das in ihm erreichte Gleichgewicht ist statisch, weil sich die entarteten Elektronen trotz ihres sehr hohen Energieinhalts auf ihrem niedrigstmöglichen Energieniveau befinden und deshalb keine Energie abgestrahlt werden kann.
 
Ist die Masse eines kollabierenden Sterns und damit die Kompression des Elektronengases so groß, dass sich die Geschwindigkeit der Elektronen der Lichtgeschwindigkeit nähert, ist ein weiterer Ausgleich der Kompression nicht mehr möglich. Obwohl die Elektronen schon entartet sind, setzt sich der Kollaps fort. Das entartete Elektronengas wird trotz seiner Steifigkeit in das Protonengas hineingequetscht, sodass die Dichte extrem zunimmt und auf das Hundertmillionenfache ansteigt. Bei diesen Werten ermöglicht der Entartungsdruck der Neutronen ein weiteres statisches Gleichgewicht, das zur Bildung von Neutronensternen führt. Doch auch für diese existiert eine Grenzmasse, bei der das Neutronengas relativistisch wird und ein endgültiger Kollaps einsetzt, der durch keinen bekannten Druck mehr aufgehalten werden kann. Das Ergebnis ist ein Schwarzes Loch, das als ultimatives Endstadium der Sternentwicklung den Tod der klassischen Materie bedeutet.
 
 
Sterne erlauben keine klar definierte Abgrenzung von ihrer Umgebung. Außerhalb der Photosphäre, also des für uns sichtbaren Rands eines Sterns, nimmt die Gasdichte zwar immer weiter ab, wird aber niemals null. Wegen der Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung der Gasteilchen können die jeweils schnellsten von ihnen auf ballistischen Kurven weit in den Weltraum hinausfliegen. Hinzu kommt, dass bei vielen Sternen Stoßwellen nach außen laufen, die das Gas zusätzlich aufheizen und beschleunigen.
 
Im Endeffekt führt dies dazu, dass jeder Stern durch einen radial nach außen gerichteten Sternwind ständig Materie verliert, sobald er nach seiner Geburt ein hydrostatisches Gleichgewicht erreicht hat. Bei Hauptreihensternen wie der Sonne ist dieser Masseverlust vernachlässigbar klein — er beträgt während ihrer gesamten Existenz als Hauptreihenstern weniger als ein zehntel Promille. Bei vielen Riesen und Überriesen jedoch können die Verluste dramatisch sein und den Stern innerhalb von nur 10 000 Jahren des größten Teils seiner Masse berauben. Die Hauptursache des hohen Masseverlusts ist die Entstehung von Staub in den ausgedehnten Hüllen der Riesensterne. Die kleinen Staubpartikel nehmen praktisch den gesamten Impuls aus der Strahlung auf und übertragen ihn auf das Gas, das dann als Sternwind entweicht.
 
Entstehung fester Körper
 
Der Übergang vom plasma- oder gasförmigen Zustand zum Festkörper — also die erste Entstehung von Kondensaten im Weltall — ist in zweifacher Hinsicht ein Meilenstein auf dem Weg vom Urknall zum Menschen: einerseits wegen der Art des Entstehungsprozesses selbst, anderseits aber vor allem wegen der Erzeugung von Oberflächen, die der frühe Kosmos nicht kennt.
 
Mit der primären Kondensation treffen erstmals die mikroskopische (vom Elementarteilchen zum Molekül) und die makroskopische Entwicklungsreihe (vom Ur-Feuerball zu den Sternen) in einem komplexen, nichtlinearen System aufeinander. Dieses System überschreitet durch einen selbstorganisierten Nichtgleichgewichtsprozess die Schwelle zu einer neuen Stufe von Komplexität der Materie.
 
In diesem System können Aggregate mit differenzierter Struktur nur schrittweise aus Atomen und einfachen Molekülen aufgebaut werden. Damit dies in einer Abfolge von chemischen Reaktionen gelingt, muss einerseits die Dichte groß genug sein, damit sich die Teilchen überhaupt treffen können, anderseits muss die Temperatur in einem bestimmten Bereich liegen. Ist sie zu hoch, sind die Moleküle instabil. Ist sie zu niedrig, reicht die Energie zur Erzeugung einer Molekülbindung nicht aus und die Teilchen prallen wieder voneinander ab.
 
Die stabilen Gleichgewichtszustände der gasförmigen Materie unseres Kosmos erfüllen die Bedingungen für Kondensation jedoch nicht. Die dichten Zustände in den Sternen sind viel zu heiß, die kalten Zustände der interstellaren Materie viel zu dünn. Dieses Dilemma wird dadurch gelöst, dass Sterne lediglich vorübergehend stabile Zustände von Materie darstellen, die über kosmische Zeiträume einen gleichmäßigen Materiestrom von heiß und dicht zu kalt und dünn bereitstellen. Ein Hauptreihenstern wie die Sonne trifft dabei jedoch keineswegs das Temperatur-Dichte-Fenster, das Kondensation ermöglichen würde. Nun durchläuft aber ein Stern wie die Sonne in seiner Entwicklung vom Hauptreihenstern zum Riesen und zum Überriesen eine Serie von Zuständen, die in ihrer jeweiligen Photosphäre immer höhere Dichten bei immer niedrigeren Temperaturen erzeugen. Erst das für die Stabilität eines Sterns gerade noch zuträgliche Extrem — in der rechten oberen Ecke des Hertzsprung-Russell-Diagramms — reicht dafür aus, dass ein Materieelement im Sternwind ein solches Fenster durchläuft.
 
Durch die von den Hüllen der ersten Sterngeneration erzeugten Staubkörner traten erstmals Oberflächen im Kosmos auf — und dies hatte enorme Konsequenzen. Nach unserem heutigen Kenntnisstand stellen Oberflächen möglicherweise eine Voraussetzung für die Entstehung von Leben dar. Sie befreien die Chemie vom geschilderten Gasphasendilemma, indem sie es erlauben, reaktive Substanzen bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen für längere Zeit nebeneinander zu deponieren und in Kontakt miteinander zu bringen. Erst dies eröffnete auf der Erde die Möglichkeit, unzählige Molekülkombinationen durchzuspielen und große, komplexe Moleküle zu bilden, die schließlich zu selbstreproduzierenden Strukturen und den ersten biologischen Zellen führten.
 
Kosmische Chemiefabriken
 
Schon seit der ersten Generation von supermassiven Sternen in der Frühphase des Universums gibt es sozusagen kosmische Chemiefabriken von gigantischen Ausmaßen. Die staubgetriebenen Winde der Riesensterne lagern etwa die Hälfte aller Elemente schwerer als Helium zu Staubkörnern zusammen, die eine Größe von bis zu ein tausendstel Millimeter erreichen. Dabei entstehen je nach Stern entweder Silicate mit Beimengungen von Eisen, Magnesium, Aluminium und Schwefel oder aber Kohlenwasserstoffe mit graphitähnlichen bis amorphen Strukturen.
 
In den Sternen selbst beginnt nun ein Wettlauf zwischen Kernfusion und Sternwind. Während das Sterninnere durch das Erlöschen des Kernbrennstoffs zu kollabieren droht, verlangsamt der Sternwind durch Abtragen von Masse einerseits die Fusion, anderseits setzt er der vorliegenden Sternphase durch zunehmende Staubbildung und höheren Masseverlust im Allgemeinen ein rasches Ende.
 
Gewinnt der Wind den Wettlauf — was meist der Fall ist —, bläst der Stern seine gesamte Hülle fort, bis nur noch ein Weißer Zwerg von 0,6 bis 0,7 Sonnenmasse übrig bleibt. Gewinnt die Fusion, endet der Stern nach dem Kollaps und der nachfolgenden Supernova- Explosion als Neutronenstern oder Schwarzes Loch.
 
 Beginn der chemischen Evolution
 
Unmittelbar nach seiner Entstehung durch Kondensation von Gasen, die aus der Atmosphäre kühler Sterne freigesetzt werden, tritt der interstellare Staub seine Reise durch das interstellare Medium an. Sobald er dabei den Schutz der dichten Staubhülle des Sterns verlässt, ist er der energiereichen UV-Strahlung des interstellaren Raums ausgesetzt. Die kleineren Partikel fragmentieren dadurch meist rasch. Für die größeren beginnt oft eine lange Reise durch den Kosmos.
 
Präbiotische Chemie im All
 
Jedes energiereiche Photon, das von einem Teilchen absorbiert wird, heizt dieses auf, wobei kleine Moleküle naturgemäß stärker angeregt und somit heißer werden als größere Partikel. Ist das Molekül zu klein, so zerfällt es, bevor es die aufgenommene Energie als Wärmestrahlung wieder abgeben und sich dadurch abkühlen kann. Die Mindestgröße von Molekülen, die die oft tausendjährige Reise mit dem Sternwind überleben, liegt beim Kohlenstoff bei etwa 50 bis 100 Atomen, bei den Silicaten vermutlich darunter. Am Ende bleibt von der einstigen Sternhülle ein Gemisch aus teilweise ionisierten Atomen und kleinen Molekülen sowie aus Staubkörnern mit Größen zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer übrig.
 
Trifft der Sternwind auf »ruhende« interstellare Materie, kommt er zum Stillstand. Dies ist für die Existenz der Staubpartikel allerdings eine gefährliche Phase, weil der Sternwind immer noch mit einer Geschwindigkeit von mindestens 10 km/s auf die ruhende Materie prallt. Bei diesem kosmischen Zusammenstoß finden erneut Veränderungs- und Zerstörungsprozesse statt. Unter Einwirkung der Eigengravitation kommt der Staub dann im Innern von dichten interstellaren Molekülwolken endlich zur Ruhe, da ihm die Wolken zeitweiligen Schutz vor weiteren Angriffen bieten.
 
Sobald die Staubteilchen die schützenden Bereiche der Dunkelwolken erreicht haben, durchlaufen sie komplizierte Zyklen von langsamen, kalten Strukturumwandlungen im Innern sowie heftigen, oft explosionsartigen Oberflächenreaktionen am Rand der Dunkelwolken unter dem Beschuss der kosmischen Strahlung. Dabei entstehen vermutlich Staubkörner von sehr differenzierter Struktur. Die silicatischen, widerstandsfähigen Kerne im Innern sind umgeben von Hüllen aus komplexen organischen Molekülen, zu denen auch präbiotische Substanzen wie die im interstellaren Raum nachgewiesenen Aminosäuren gehören.
 
Entstehung von Planeten
 
Die Grundzüge der modernen Theorien zur Planetenentstehung sind schon zwei Jahrhunderte alt und gehen auf Arbeiten von Immanuel Kant und Pierre Laplace zurück. Obwohl die Wissenschaft in den vergangenen Jahrzehnten umfassende Vorstellungen zu diesem Thema entwickelt hat, bleibt eine große Unsicherheit. Das Hauptproblem dabei ist: Wir kennen nur die Eigenschaften eines einzigen Planetensystems — nämlich die unseres Sonnensystems.
 
Als realistisch gilt heute folgendes Szenario: Mit zunehmendem Gravitationskollaps einer Dunkelwolke kommt es zur Fragmentierung der Materie. Dabei entstehen protostellare Wolken, die ihren Drehimpuls auf verschiedene Weise aufteilen und je nach Anfangsbedingung zentralsymmetrisch oder in Gestalt eines klumpigen Rings kollabieren.
 
Im ersten Fall entsteht ein Einzelstern mit einer Akkretionsscheibe, in der Gas und Staub in engen Spiralbahnen auf den Stern zuströmen und durch Adhäsionskräfte aneinander haften bleiben, also koagulieren. Die Koagulate reichern sich in der Symmetrieebene der Scheibe an und bilden eine dünne Partikelschicht. Je größer die Oberfläche eines Teilchens ist, desto mehr zusätzliches Material kann es aufsammeln, sodass schließlich eine kleinere Zahl von Planetesimalen entsteht.
 
Gleichzeitig steigt die Temperatur im Kontraktionszentrum des Protosterns. Dadurch heizt sich der feinere Staub in der Nähe des Protosterns auf und verdampft teilweise. Ab einer gewissen Größe dominiert die Eigengravitation der Planetesimale, wodurch sich diese zu noch größeren Einheiten zusammenballen. Bei diesem Wettlauf der Koagulation gewinnt naturgemäß die größte Materieansammlung und wird zum beherrschenden Planeten, der letztendlich alle andern Kontrahenten seiner Umgebung aufsammelt. Jeder Planet übt auch gewisse Gezeitenkräfte auf seine Nachbarn aus, wodurch diese — falls sie zu groß oder zu nah sind — wieder auseinander gerissen werden. Auf diese Weise schafft sich der Planet sein eigenes Revier in Form einer leer gefegten Bahn, die umso breiter ist, je mehr Masse der Planet besitzt. Einige ihrer kleineren Konkurrenten sammeln die großen Planeten sozusagen am Stück auf und zwingen sie in ein Subsystem von Monden.
 
Jeder dieser Körper kann nun je nach Größe und Entfernung zum Protostern mehr oder weniger Gas aus der Akkretionsscheibe aufsammeln und als Atmosphäre anreichern. Dabei gilt: Je größer der Planet ist, umso dicker ist seine Atmosphäre und umso leichter sind die Gasmoleküle; je näher sich der Körper am Protostern befindet, desto dünner ist seine Atmosphäre und desto schwerer sind die Gasteilchen. Durch die Wechselwirkung von Festkörpermaterial, Gezeitenkräften und Temperatur sollten deshalb die Planetensysteme theoretisch innen kleine Gesteinsplaneten, im mittleren Bereich große Gasplaneten und außen kleine Gasplaneten und Kleinkörper aufweisen. Zumindest in unserm Sonnensystem treffen diese Überlegungen zu.
 
Im Lauf seiner materiellen Evolution kommt der junge Stern auch in die instabile T Tauri-Phase und setzt dabei in einem heftigen Ausstoß Material frei. Dieser Sternwind fegt das noch junge Planetensystem von den Resten an Gas und feinem Staub leer und beraubt die innern Planeten ihrer Atmosphären. Ein großer Teil des »Bauschutts« sammelt sich in den äußern Bereichen des Planetensystems in Form von Kleinkörpern, die als Kometen oder Meteoroide in eine komplexe Wechselwirkung mit dem Schwerefeld der kreisenden Planeten treten. Wenn der neugeborene Stern auf der Hauptreihe des Hertzsprung-Russell-Diagramms zur Ruhe gekommen ist, beginnen die Planeten abzukühlen — zum Teil unter erheblicher vulkanischer und tektonischer Tätigkeit — und durch Ausgasen neue Atmosphären zu bilden, soweit ihr Schwerefeld und die stellare Strahlung dies zulassen. Auf die Oberflächen der Urplaneten regnen noch eine Zeit lang Meteoriten herunter, Körper, deren Größen im Bereich von Zentimetern bis zu Kilometern liegen. Sie versorgen die Uratmosphären mit großen Mengen vorprozessierten, zumindest präbiotischen Materials einschließlich Aminosäuren.
 
Das Planetensystem der Sonne
 
Nach heutiger Auffassung haben sich die Vorgänge der Planetenentstehung, die vermutlich nur etwa zehn Millionen Jahre dauern, viele Milliarden Male in unserer Galaxis abgespielt. Trotzdem dürfte die besondere Situation der Erde eine Folge äußerst seltener Umstände sein. So hat unser Sonnensystem über das geschilderte Szenario hinaus wenigstens drei Besonderheiten aufzuweisen: den Asteroidengürtel, eine verblüffend reguläre Abfolge der Planetenbahnen und schließlich die Erde.
 
Die Dunkelwolke, aus deren Materie unser Sonnensystem entstanden ist, wurde vor etwa 4,5 bis 5 Milliarden Jahren gravitationsinstabil und begann zu kollabieren. Auslöser war vermutlich die Stoßfront einer Supernova-Explosion. Die Dunkelwolke zerfiel in Hunderte kleinerer Einheiten, von denen eine zur protosolaren Wolke wurde, die einige Sonnenmassen schwer war und einen Durchmesser von einem Drittel Lichtjahr sowie eine Temperatur von nur wenigen Kelvin hatte. Innerhalb weniger 100 000 Jahre schrumpfte diese Wolke auf ein Hundertstel und bildete eine Akkretionsscheibe aus, während ihr Zentrum weiter kollabierte und zur Protosonne wurde. Durch das Aufheizen der Zentralregion stiegen auch die Temperaturen in der Akkretionsscheibe: Im Bereich der Merkurbahn lagen sie über 1000 Kelvin, am äußern Rand bei 50 Kelvin.
 
In der Nähe der Protosonne bildeten sich die eisenhaltigen Gesteinsplaneten Mars, Erde, Venus und Merkur, in größerer Entfernung die riesigen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Bei den Gasplaneten reicherten sich um einen kleinen zentralen Eisen-Silicat-Kern herum mächtige Atmosphären aus präsolarem Gas an. Allerdings war zuvor schon in einem Abstand von rund zehn Astronomischen Einheiten von der Protosonne eine Gravitationsinstabilität entstanden, die zur Keimzelle des Jupiter wurde. Die Protosonne mit etwas über einer Sonnenmasse und der Proto-Jupiter mit einem Tausendstel der Sonnenmasse bildeten dabei ein Gravitationsfeld, das im Rhythmus des Planetenumlaufs gestört wurde. In der Nähe beider Gravitationszentren war dadurch das Wachstum der Planetesimale durch die Gezeitenwechselwirkung eingeschränkt.
 
Die früher auch als Wandelsterne bezeichneten Planeten erscheinen zwar wie Sterne als leuchtende Punkte am Himmel, doch sie erzeugen selbst kein Licht. Sie sind kalte Himmelskörper, die in fast kreisförmigen Ellipsenbahnen um die Sonne laufen und von ihr beleuchtet werden. Zusammen mit ihren Monden besitzen sie insgesamt nur 1/700 der Sonnenmasse. Für die Reihenfolge der Planeten von der Sonne aus gibt es den bekannten Merksatz »Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unsere neun Planeten«. Dabei stehen die Anfangsbuchstaben für die neun Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto.
 
Merkur, Venus, Erde und Mars bilden die »inneren Planeten«, deren mittlerer Sonnenabstand zwischen 58 Millionen Kilometer (Merkur) und 228 Millionen Kilometer (Mars) beträgt. Die »äußeren Planeten« Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, Pluto haben einen mittleren Sonnenabstand zwischen 779 Millionen Kilometer (Jupiter) und 5966 Millionen Kilometer (Pluto). Die Entfernungsunterschiede zwischen den inneren und den äußeren Planeten sind sehr groß; Pluto zum Beispiel befindet sich mehr als 100-mal so weit von der Sonne entfernt wie Merkur. Eine Vorstellung von diesen Entfernungsunterschieden vermittelt der »Planetenweg« des Deutschen Museums in München, auf dem die Sonne und ihre neun Planeten durch Symboltafeln dargestellt sind. Von der »Sonne« im Hof des Museums am Ufer der Isar sind es nur wenige Schritte bis zu den inneren Planeten. Wer aber bis zum »Pluto« will, muss 4,6 Kilometer entlang der Isar bis zum Tierpark Hellabrunn wandern.
 
Während also die Planeten entstanden und heranwuchsen, störte der junge Jupiter offensichtlich bei einigen den weiteren Akkretionsprozess oder sorgte sogar für deren gegenseitige Zerstörung durch Kollision. Die größeren Planetesimale wurden im Gezeitenfeld zwischen Sonne und Jupiter zerrieben, sodass sich statt eines kompakten Planeten ein Gürtel von kilometergroßen Bruchstücken ausbildete, der Asteroidengürtel.
 
In der Zwischenzeit zündete in der Protosonne das Deuteriumbrennen. Sie durchlief die instabile T Tauri-Phase, in der sie einen Teil ihrer Masse als heftigen Sternwind fortblies. Dabei verloren die inneren Planeten ihre Atmosphäre. Gas und Staub reicherten sich in den äußersten Bereichen des Urnebels an und kondensierten dort zu kilometergroßen Konglomeraten aus Gestein und Wassereis. Diese Billionen von »schmutzigen Schneebällen« wurden durch Stöße mit den Riesenplaneten und durch die Gezeitenwirkung von vorbeifliegenden Sternen und interstellaren Wolken aus ihrer ringförmigen Bahn katapultiert. Sie landeten schließlich im äußersten Einflussbereich des solaren Schwerefelds in der Oort'schen Wolke oder schossen als Kometen auf steilen Ellipsenbahnen durch das innere Sonnensystem — ein Phänomen, das wir auch heute noch beobachten können.
 
 
Der Mond, der einzige natürliche Satellit der Erde, wurde zum Namengeber für eine Reihe weiterer Trabanten, die um Planeten kreisen. Im Sonnensystem hat man bisher 64 Monde entdeckt, wobei mit weiteren Entdeckungen zu rechnen ist. Von den bisher bekannten Monden finden sich nur drei im inneren Planetensystem: neben dem Erdmond die beiden Mars-Monde Phobos und Deimos. Merkur und Venus sind mondlos. Zahlreiche Monde dagegen finden sich im äußeren Planetensystem. Jupiter besitzt 16, Saturn 19, Uranus 17 und Neptun 8 Monde. Um Pluto kreist nur ein Satellit namens Charon. Bei den beiden zuletzt entdeckten Monden handelt es sich um die Uranus-Monde Caliban und Sycorax. Vier Wissenschaftler haben die beiden Neulinge Anfang September 1997 am kalifornischen Palomar Observatorium mit dem 5,08-m-Hale-Teleskop fotografiert.
 
Wie die einzelnen Monde entstanden sind, ist zurzeit noch weitgehend ungeklärt. Einige haben sich mit Sicherheit zusammen mit ihrem Planeten in einer Art Akkretionsprozess gebildet. Dabei dürfte es sich wohl um jene Satelliten handeln, deren fast kreisförmige Bahnen in den Äquatorebenen der jeweiligen Planeten liegen. Andere Monde könnten Bruchstücke von älteren Monden sein, die durch Kollisionen zertrümmert worden sind. Schließlich könnte eine Reihe von Monden auch durch die Planeten eingefangen worden sein. Die Monde der inneren Planeten bestehen — ähnlich wie die Erde — aus Gesteinsmaterial. Die Monde der äußeren Planeten dagegen enthalten außer dem Gestein noch größere Mengen an Wassereis, in dem auch Ammoniak und Methan vorkommen.
 
Lange Zeit galt der Erdmond als der größte Mond im Sonnensystem. Sein Durchmesser von 3476 Kilometern wird aber von dem des Jupiter-Monds Ganymed deutlich übertroffen. Ganymed hat einen Durchmesser von fast 5300 Kilometern und ist damit sogar größer als Pluto und Merkur, die beiden kleinsten Planeten. Der kleinste Mond ist der Marsbegleiter Deimos, dessen Durchmesser ungefähr 12 Kilometer beträgt. Seine kartoffelartige Form ist wahrscheinlich eine Folge der schwachen Gravitation, die wegen der geringen Masse nur wenig ausgeprägt ist. Sie ist bei Himmelskörpern dieser Größenordnung nicht groß genug, um eine kugelförmige Oberfläche zu erzeugen, wenn sie durch Einschläge aus dem All verformt oder Teile von ihnen abgesprengt werden. Nach heutigem Wissen dürfte die Grenze zwischen kartoffel- und kugelförmigen Monden bei Durchmessern von etwa 400 Kilometern liegen.
 
Wegen der kleinen Masse und der deswegen geringen Gravitation kann sich auf den meisten Monden keine Atmosphäre aufbauen — Gasmoleküle, die dazu in der Lage wären, entweichen mangels Schwerkraft ins All. Dies hat massive Konsequenzen für die Oberfläche der Monde. Während die meisten Meteoriten beim Eintritt in die bremsende Erdatmosphäre verglühen, können sie auf einem Mond praktisch ungehindert aufschlagen. Die Oberflächen der Satelliten sind deshalb einem ständigen Bombardement ausgesetzt, das nicht nur von Meteoriten, sondern auch von kosmischer Strahlung herrührt. Insbesondere Meteoriteneinschläge hinterlassen dabei deutliche Spuren. Die meisten Monde sind mit zahlreichen Kratern überzogen, die sich beim Erdmond bereits von der Erde aus gut beobachten lassen.
 
Sonderstellung der Erde
 
Für die Entwicklung der Erde ist in erster Linie die Zusammensetzung ihrer Atmosphäre verantwortlich. Deutlich wird dies am Vergleich mit den Nachbarplaneten Venus und Mars. Nach der T Tauri-Phase der Sonne waren die innern Planeten zunächst heiß und flüssig — und ohne Atmosphäre. Dann begannen sie auszugasen und bildeten mehr oder weniger umfangreiche Wasserreservoirs auf ihren Oberflächen, wobei die heißere Venus wesentlich mehr Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2), molekularen Stickstoff (N2) und Schwefelverbindungen freisetzte als ihre kälteren Geschwister. Als Folge des dadurch zunehmenden Treibhauseffekts verstärkte sich die Gasproduktion der Venus, sodass nach 300 Millionen Jahren bereits alles Wasser verdunstet war. Bei einer Oberflächentemperatur von fast 500 ºC und einem »Luftdruck« von 90 Atmosphären ist Leben auf der Venus ausgeschlossen.
 
Der kleinere Mars dagegen hatte erheblich weniger Wärme gespeichert und setzte daher nur eine geringe Menge an Gasen frei. Doch wegen seines größeren Abstands von der Sonne gefroren die Gase meist auf der Oberfläche, sodass kein Treibhauseffekt einsetzen konnte. Für mögliches Leben ist die Atmosphäre des Mars zu dünn und seine Oberfläche zu kalt.
 
Für die Entwicklung der Erdatmosphäre spielt der Abstand unseres Planeten von der Sonne eine wichtige Rolle, denn er erlaubte es, dass der freigesetzte Wasserdampf kondensieren und Ozeane bilden konnte. In den Ozeanen löste sich der größte Teil des Kohlendioxids, sodass die Erde dem extremen Treibhauseffekt der Venus entgehen konnte. Anderseits war die Atmosphäre dünn genug, dass herabregnende Meteoriten die Ur-Erde mit einer gigantischen Menge an Kohlenstoffverbindungen versorgen konnten. Während in den küstennahen Tümpeln die ersten selbstreproduzierenden Moleküle entstanden, zerfielen in der Atmosphäre Wasserdampf und Ammoniak, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff entstanden. Der ständige Transport von Kohlendioxid zwischen Erdmantel, Ozeanen und Atmosphäre sowie der Stoffwechsel der sich ausbreitenden frühen Lebensformen — zum Beispiel der Cyanobakterien — sorgten nun für die lebenswichtige Balance zwischen der sauerstoffreichen Atmosphäre, dem mäßigen Treibhauseffekt und dem Ozonschutzschild der Stratosphäre.
 
Zur Entstehung solcher lebensfreundlichen Bedingungen trugen auch die Neigung der Erdachse, ihre Stabilisierung durch den ungewöhnlich großen Erdmond sowie die hohe Rotationsgeschwindigkeit bei. Letztere ist für ein starkes Magnetfeld verantwortlich, das einen Schutzschild vor der kosmischen Strahlung bildet.
 
Meteoroide, Meteore und Meteoriten
 
Meteore sind Leuchterscheinungen am nächtlichen Himmel, die je nach ihrer Helligkeit als Sternschnuppe, Feuerkugel oder teleskopischer Meteor bezeichnet werden. Die auch als Boliden bezeichneten Feuerkugeln leuchten heller als die Venus, während Sternschnuppen eine geringere Helligkeit als die Venus aufweisen. Bei den teleskopischen Meteoren handelt es sich um Leuchterscheinungen, die nur im Fernrohr sichtbar sind.
 
Jeder Meteor geht auf einen Meteoroid zurück, einen Körper, der aus dem Weltall in die Erdatmosphäre eindringt und durch Reibung in der Luft zum Glühen kommt. So beruht das Aufleuchten der Sternschnuppen in rund 100 Kilometer Höhe auf Meteoroiden, die einen Durchmesser zwischen 1 und 10 Millimeter haben. Die sehr seltenen Feuerbälle gehen auf Meteoroide zurück, die zwischen 1 und 10 Zentimeter groß sind. Sie dringen wesentlich tiefer in die Erdatmosphäre ein und verglühen erst in Höhen zwischen 50 und 10 Kilometern.
 
Noch größere Meteoroide explodieren in Erdnähe und fallen als Bruchstücke auf die Erde, wobei gewaltige Krater entstehen können. Die auf der Erde aufschlagenden Reste von Meteoroiden werden als Meteoriten bezeichnet. Der fast kreisrunde Meteoritenkrater von Arizona (Meteor Crater) hat einen Durchmesser von gut 1,2 Kilometern und eine Tiefe von 175 Metern. Sein durch den Einschlag aufgeschütteter Ringwall erhebt sich 35 Meter über die flache Landschaft. Auch das Nördlinger Ries mit einem Durchmesser von 24 Kilometern ist durch Meteoriteneinschlag entstanden. Weltweit sind rund 1000 Meteoritenkrater bekannt.
 
Der gesamte Meteoroideneinfall der Erde wird auf etwa 40 000 Tonnen jährlich geschätzt. Dabei handelt es sich überwiegend um Mikrometeoroide mit einem Durchmesser unter 0,1 Millimeter, die sofort verdampfen. Etwa 200 Tonnen gelangen als mikroskopisch kleine Partikel bis zur Erdoberfläche. Meteoriten von der Größe eines Steins oder Felsbrockens sind sehr selten; jährlich werden nur einige wenige Exemplare entdeckt.
 
Meteoroide sind meist Bruchstücke von Asteroiden — auch als Planetoiden bezeichnet — aus dem »Asteroidengürtel« zwischen Mars und Jupiter; dies geht aus fotografischen Beobachtungen von Meteoritenbahnen hervor. Im Gegensatz zu früheren Annahmen dürften nur wenige Meteoriten von Kometen stammen. Je nach Zusammensetzung ordnet man sie in drei Meteoritenklassen ein und unterscheidet zwischen Stein-, Eisen- und Stein-Eisen-Meteoriten.
 
 Auf dem Weg zum Leben
 
Vom kosmologischen Standpunkt aus betrachtet, hat das Universum mit dem Materiekreislauf eine gigantische zyklische Maschinerie geschaffen. Diese wird einerseits durch kosmische Quellen angetrieben, die der linearen Zeit unterliegen. Anderseits ermöglicht sie die kosmische Evolution, die in der zyklischen Welt der uns bekannten Biosphäre gipfelt.
 
Energiebilanz des Materiekreislaufs
 
Der kosmische Materiekreislauf stellt sich uns als ein selbsterhaltendes dynamisches System dar, das nur durch die sukzessive Umwandlung von interstellarer Materie in stellare Endstadien — Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher — in ferner Zukunft zum Stillstand kommen wird. Die einzige externe Energiequelle einer Galaxie, die den Zyklus über seine innere Dynamik hinaus antreibt, ist deren Dichtewelle. Wenn die zwischen den Spiralarmen einer Galaxie vorhandene heiße interstellare Materie eine Dichtewelle überholt, kommt es durch die zeitweilige Kompression in vielen Fällen durch Rekombination und Molekülbildung zu einem Kollaps in den kalten Gleichgewichtszustand, der letztlich zur Sternentstehung führen kann.
 
Beim Energiereservoir, das die Dichtewelle speist, handelt es sich vermutlich um die kinetische Energie der Galaxien innerhalb ihres jeweiligen Haufens. Anderseits ist in der interstellaren Materie aufgrund der extrem niedrigen Dichte eine große Menge potenzielle Energie gespeichert, die bei der Sternentstehung freigesetzt wird. In den Sternen wiederum wird diese Gravitationsenergie als thermische Energie gespeichert und dadurch das Reservoir der Kernenergie geöffnet. Diese verwandelt sich in Strahlung, die ihrerseits den interstellaren Raum erfüllt und so den Rückweg vom Stern zur interstellaren Materie antreibt. Beide Energiequellen — Gravitation und Kernkraft — entstammen ursprünglich der innerhalb der Planck-Zeit freigesetzten kinetischen Energie der Expansion sowie der potenziellen Energie der freien Elementarteilchen.
 
Die kinetische Energie verwandelt sich durch die Ausdehnung des Kosmos zunächst in potenzielle Gravitationsenergie, dann in die kinetische Energie von Inhomogenitäten wie etwa der Protogalaxien. In den Zentren der Sterne taucht die Kernenergie in der Bilanz der mechanischen Energien auf.
 
An der Grenze zur biologischen Evolution
 
Wenn wir im mikrophysikalischen Bereich die gesamte Entwicklung des Universums von der Planck-Zeit bis zur Entstehung der Erde zusammenfassen, so ergibt sich ein siebenstufiger Evolutionsprozess, der zunehmend komplexere Einheiten generierte. Die ersten drei Stufen wurden in der äußerst homogenen Frühphase des Kosmos durchlaufen, die letzten vier sind in den Materiekreislauf innerhalb der Galaxien eingebettet. Als achte Stufe schließt sich auf der Erde der Übergang von astrophysikalischen zu biochemischen Prozessen an. Nach dem heutigen Stand des Wissens ist auf den acht Stufen im Einzelnen Folgendes geschehen:
 
Die supersymmetrische Kraft zerfällt durch Symmetriebrechung in die vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen. Gleichzeitig entstehen die ersten Elementarteilchen wie u- und d-Quarks, Elektronen und Neutrinos, deren jeweilige Antiteilchen sowie Wechselwirkungsteilchen wie Photonen.
 
Die Elementarteilchen bilden die Nukleonen (Protonen und Neutronen), die zu den primordialen Atomkernen des Deuteriums und Heliums fusionieren.
 
Die Atomkerne fangen die freien Elektronen ein und bilden Atome. Dadurch entkoppeln sich Materie und Strahlung.
 
Im Zentrum der Sterne fusionieren leichte Atome zu schweren Atomen. In den Riesensternen generieren der r- und der s-Prozess über das Eisen hinaus das gesamte Spektrum schwerer Atomkerne bis zum Uran.
 
In den Sternwinden von Roten Riesen sowie in den expandierenden Hüllen der Supernovae bilden sich Moleküle und Staubkörner mit unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung.
 
Auf den Oberflächen von Staubkörnern, die sich in Sternwinden, interstellaren Stoßfronten oder interstellaren Wolken befinden, laufen vielfältige chemische Prozesse ab. Unter dem Einfluss verschiedener Energiequellen entstehen dabei auch komplexe organische Verbindungen wie zum Beispiel Aminosäuren.
 
In der Umgebung neugeborener Sterne koagulieren interstellare und neu gebildete Staubkörner zu Planetesimalen und schließlich zu Planeten. Auf diesen entstehen Atmosphären und zum Teil Ozeane.
 
Auf der Erde entstehen selbstreproduzierende Makromoleküle als Vorläufer des Lebens. Möglicherweise spielt dabei auch präbiotisches Material aus dem Kosmos eine Rolle, das mit Meteoriten zur Erde gelangt.
 
Die Stufen zwei bis fünf dieses Strukturierungsprozesses können wir heute mit einiger Sicherheit nachzeichnen, doch an andern Stellen gibt es noch weiße Flecken auf der Karte der Evolutionsgeschichte. Diese betreffen neben der kosmischen Frühphase vor allem die Fragen zum Beginn des Materiekreislaufs als entscheidendes Evolutionsforum, zum Ausmaß der chemischen Prozesse zwischen Sternwinden und Planetenoberflächen sowie zu den ersten Schlüsselmolekülen der irdischen Biosphäre. Kontrovers diskutiert wird zum Beispiel, ob Leben überall im Kosmos entsteht und die Planetenoberflächen »infiziert« oder ob die Synthese selbstreproduzierender organischer Makromoleküle auf jedem Planeten neu starten muss. Mit der Frage nach der Entstehung des Lebens verlassen wir aber den Bereich der Astrophysik.
 
Prof. Dr. Erwin Sedlmayr, Dipl.-Phys. Karin Sedlmayr und Dr. Achim Goeres
 
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
 
Erde: Eine erkaltende Feuerkugel
 
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
 
Kosmologie und Weltmodelle
 
 
Atlas galaktischer Nebel, bearbeitet von Thorsten Neckel und Hans Vehrenberg. Loseblattausgabe. Aus dem Englischen. Düsseldorf 1985 ff.
 
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Der große JRO-Atlas der Astronomie, herausgegeben von Jean Audouze u. a. Aus dem Französischen. München 21990.
 Henkel, Hans Rolf: Astronomie. Thun u. a. 41991.
 Herrmann, Joachim: dtv-Atlas zur Astronomie. Tafeln und Texte. Mit Sternatlas. München 111993.
 Herrmann, Joachim: Großes Lexikon der Astronomie. München 41986.
 Kanitscheider, Bernulf: Kosmologie. Stuttgart 21991.
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 Koyré, Alexandre: Leonardo, Galilei, Pascal. Die Anfänge der neuzeitlichen Naturwissenschaft. Aus dem Französischen. Neuausgabe Frankfurt am Main 1998.
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Meyers Handbuch Weltall, Beiträge von Joachim Krautter u. a. Mannheim u. a. 71994.
 Morrison, David: Planetenwelten. Eine Entdeckungsreise durch das Sonnensystem. Aus dem Amerikanischen. Heidelberg u. a. 1995.
 
Mythen vom Anfang der Welt. Das verborgene Wissen vom Ursprung und Werden der Welt und des Menschen, herausgegeben von Susanne Hansen. Augsburg 1991.
 Pichot, André: Die Geburt der Wissenschaft. Von den Babyloniern zu den frühen Griechen. Aus dem Französischen. Frankfurt am Main u. a. 1995.
 Smolin, Lee: Warum gibt es die Welt? Die Evolution des Kosmos. Aus dem Amerikanischen. München 1999.
 Smoluchowski, Roman: Das Sonnensystem. Ein G2-V-Stern und neun Planeten. Aus dem Amerikanischen. Heidelberg 21989.
 Stückelberger, Alfred: Einführung in die antiken Naturwissenschaften. Darmstadt 1988.
 Unsöld, Albrecht / Baschek, Bodo: Der neue Kosmos. Berlin 51991.
 Voigt, Hans-Heinrich: Abriß der Astronomie. Mannheim u. a. 51991.
 Weigert, Alfred / Wendker, Heinrich J.: Astronomie und Astrophysik. Ein Grundkurs. Weinheim u. a. 31996.
 Wieland, Wolfgang: Die aristotelische Physik. Göttingen 31992.
 Zimmermann, Helmut / Weigert, Alfred: ABC-Lexikon Astronomie. Heidelberg u. a. 81995.
 Zinner, Ernst: Entstehung und Ausbreitung der Copernicanischen Lehre, bearbeitet von Heribert M. Nobis und Felix Schmeidler. München 21988.

Universal-Lexikon. 2012.

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