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Physik-Nobelpreis 2011 : Sternexplosionen verraten das Schicksal des Kosmos

  • -Aktualisiert am

Bild einer Supernova-Explosionswolke im Sternbild Stier, aufgenommen vom „Hubble“-Weltraumteleskop Bild: dpa

Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr an die Supernova-Forscher Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess aus Amerika und Australien.

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          Wenn die aus kosmischer Sicht kurze, unbedeutende Phase der Menschheit längst fernste Vergangenheit und die Erde sprichwörtlich zu Staub zerfallen ist, löst sich das Universum gleichsam auf. Die Galaxien, die sich immer weiter voneinander entfernen, werden zu einsamen Inseln im Meer des Kosmos, und innerhalb der Galaxien wird die Materie von gefräßigen schwarzen Löchern aus dem Verkehr gezogen. Nur kleine Reste bleiben übrig. Dass dieses Schicksal unausweichlich ist, liegt an der beschleunigten Expansion des Universums, die zwei amerikanische Forschergruppen 1998 unabhängig voneinander entdeckt haben. Dafür ist jetzt den maßgeblich daran beteiligten Wissenschaftlern der diesjährige Physik-Nobelpreis zugesprochen worden. Saul Perlmutter erhält ihn als Leiter des 1988 initiierten „Supernova Cosmology Project“ und Brian Schmidt als Leiter des 1994 ins Leben gerufenen „High-z Supernova Search Team“, in dem auch der dritte Preisträger, Adam Riess, eine wesentliche Rolle gespielt hat.

          Saul Perlmutter Bilderstrecke

          Als Albert Einstein 1915 seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, hielt man das Universum noch für statisch – es verändert demnach seine Größe nicht, kann weder kontrahieren noch expandieren. Diesen Zustand schlossen seine Feldgleichungen zunächst aus. Einstein hat den „Schönheitsfehler“ mit einer zusätzlichen Konstante korrigiert, durch die er ein statisches Weltall erzwang. Das hat er später als seine größte Eselei bezeichnet; denn 1929 wies der Astronom Edwin Hubble anhand von Beobachtungen nach, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Basis der Expansion ist das sogenannte Hubble-Gesetz, das in der einfachen Form nur für unsere kosmische Umgebung gilt. Die „Flucht der Galaxien“ spiegelt die Expansion des Universums.

          Für das Schicksal des Kosmos gibt es nun mehrere mögliche Schicksale. Bei genügender Masse im All wird die Expansion irgendwann so stark gebremst, dass der Kosmos anschließend wieder zusammenstürzt. Ist die Masse viel geringer, wird das Weltall ewig expandieren und sich im Unendlichen verlieren. Im Grenzfall dazwischen wird die Expansion gerade den Stillstand erreichen, ohne dass es anschließend zu einer Kontraktion kommt.

          Was zutrifft, lässt sich bei den entferntesten Galaxien anhand winziger Abweichungen vom Hubble-Gesetz erkennen, wenn man die Geschwindigkeit kennt, mit der sich ein Sternsystem von der Milchstraße entfernt – und die sich in einer Rotverschiebung seiner Spektrallinien offenbart –, sowie dessen Abstand von uns. Kosmische Distanzen über Milliarden von Lichtjahren hinweg zu messen ist eine Kunst, die erst mit den modernen Techniken möglich geworden ist. Man braucht außerdem Leuchtbaken, die über diese gewaltigen Entfernungen noch zu beobachten sind. Dafür haben sich die sogenannten Supernovae des Typs Ia erschlossen. Eine Supernova ist das explosive Ende eines sonnenähnlichen Sterns. Dieser kann Teil eines Doppelsternsystems sein, in dem er ständig Materie von seinem Begleiter auf sich lenkt. Hat sich seine Masse dabei auf 1,4 Sonnenmassen erhöht, reißt es ihn auseinander. Weil die Grenzmasse immer gleich ist, haben auch alle Supernovae des Typs Ia ein und dieselbe Leuchtkraft, so dass man aus der scheinbaren Helligkeit ihre Entfernung bestimmen kann.

          Das Ziel der beiden Forschergruppen war es, mit den Supernovae mögliche Abweichungen von dem einfachen Hubble-Gesetz aufzuspüren. Würde die Bewegung weit entfernter Galaxien gebremst, müssten die Explosionen heller als bei konstanter Expansion des Weltalls erscheinen, und das Maß der Abweichung gäbe uns Auskunft über die ferne Zukunft des Alls. Zu ihrer großen Überraschung fanden die Wissenschaftler das Gegenteil – dass die Supernovae in extrem weit entfernten Galaxien lichtschwächer waren. Dafür gibt es ihrer Meinung nach nur eine Erklärung, der heute praktisch alle Fachleute zustimmen: Der Kosmos dehnt sich immer schneller aus – eine spätere Kontraktion ist ausgeschlossen.

          Dafür verantwortlich gemacht wird eine rätselhafte Dunkle Energie, aus der das Universum zu ungefähr siebzig Prozent bestehen soll. Was sich dahinter verbirgt, ist bislang völlig unklar. Sie könnte etwa dem Vakuum entstammen, das ja keineswegs leer ist, wie die Physik lehrt. Jedenfalls scheint die sichtbare Materie nur ein Schattendasein im Kosmos zu führen.

          Saul Perlmutter, 1959 in Campaign-Urbana (Illinois) geboren, promovierte an der University of California in Berkeley, wo er nach wie vor forscht. Zudem ist er Professor am Lawrence Berkeley National Laboratory. Adam G. Riess, geboren 1969 in Washington, erlangte seinen Doktorgrad an der Harvard University in Cambridge. Er forscht an der Johns Hopkins University in Baltimore. Brian P. Schmidt, 1967 in Missoula (Montana) geboren, wurde ebenfalls in Harvard promoviert. Er forscht an der Australian National University in Weston Creek und besitzt die amerikanische und australische Staatsbürgerschaft.Günter Paul

          Die Preisträger seit 2001

          Der Physik-Nobelpreis wird seit 1901 vergeben. Die erste Auszeichnung erhielt der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen für die Entdeckung der „X-Strahlen“, der später nach ihm benannten Röntgenstrahlen. Die Preisträger der vergangenen zehn Jahre waren:

          2010: Der Niederländer Andre Geim und der britisch-russische Physiker Konstantin Novoselov für ihre Arbeiten zu Graphen. Das einlagige Gitter aus Kohlenstoffatomen leitet hervorragend Hitze und Strom.

          2009: Charles Kao (China), Willard Boyle und George Smith (beide Amerika) für die schnelle Datenübertragung durch Glasfasern sowie für den lichtempfindlichen CCD-Chip.

          2008: Yoichiro Nambu (Amerika), Makoto Kobayashi (Japan) und Toshihide Maskawa (Japan) für die Entdeckung und Erklärung sogenannter Symmetriebrechungen in der Teilchenphysik, die das Verständnis der Natur entscheidend verbessert haben.

          2007: Peter Grünberg (Deutschland) und Albert Fert (Frankreich) für die Entdeckung des „Riesenmagnetowiderstands“, durch den sich die Speicherkapazität von Computer-Festplatten drastisch erhöhen ließ.

          2006: John C. Mather und George F. Smoot (beide Amerika) für die Entdeckung der Saat der Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem „Echo des Urknalls“.

          2005: Roy J. Glauber (Amerika) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (Amerika) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer laserbasierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.

          2004: David J. Gross, H. David Politzer und Frank Wilczek (alle Amerika) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.

          2003: Alexej Abrikosow (Amerika und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) Anthony Leggett (Amerika und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigkeiten.

          2002: Raymond Davis (Amerika), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (Amerika) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.

          2001: Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (Amerika) und Carl E. Wieman (Amerika) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.

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