Hintergrund

Die Cherenkov-Strahlung ist im Grunde die bläuliche Leuchterscheinung, die entsteht, wenn geladene Teilchen durch ein typischerweise schwaches oder nichtleitendes Medium fliegen und dabei schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium sind. Es ist also das optische Gegenstück zum Ultraschallknall. Im nächsten Abschnitt finden sich in paar Bilder dazu.

Der Entdecker dieser Art von Strahlung ist passenderweise Pawel Alexejewitsch Tscherenkow (oder auch Cherenkov). In Russland wird sie auch noch nach ihrem Mitendecker Wawilow genannt: Wawilov-Cherenkov-Strahlung. Tscherenkow, Igor J. Tamm und Ilja M. Frank gewannen 1958 den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung des „Tscherenkow-Effekts“.

Im Normalfall interferieren die Wellen, die von den geladenen Teilchen im schlechtleitenden Medium erzeugt werden, sie polarisieren der Flugbahn der geladenen Teilchen benachbarte Atome, destruktiv und neutralisieren sich gegenseitig. Doch wenn das Teilchen eine höhere Geschwindigkeit besitzt, als das Licht, das in dem Medium verfährt, aufweist, dann ergibt sich ähnlich dem Ultraschallknall-Phänomen ein kegelförmiges Wellenmuster, welches die Cherenkov-Strahlung grob gesagt ergibt.

Wir verwenden dieses Phänomen für Beobachtungen in der Astroteilchenphysik, aber dazu kommen wir später noch. Wer sich für die Mathematik hinter dem Phänomen interessiert, der interessiert sich für den Weblink da unten.

Galerie

Anwendung

Wir nutzen die Cherenkov-Strahlung als eine Art Werkzeug um weitere Effekte zu beobachten. Aber direkt mit der Strahlung können wir noch nichts anfangen. Damit können wir nur andere Dinge sichtbar machen. Mit Teleskopen, die genau darauf geeicht sind, nach dieser Strahlung, bzw. Licht zu suchen. Und das gehört zur Astroteilchenphysik.

Astroteilchenphysik

Die Astroteilchenphysik, eine noch junge Disziplin, welche sich aus der Teilchenphysik zusammensetzt, bloß angewendet in der Astrophysik. Zu der Thematik und Gegenstand aktuellster intensiver Forschung in der Astroteilchenphysik gehören: Neutrinos, Kosmische Strahlung, Gammaastronomie, Gravitationswellen, Dunkle Materie und Dunkle Energie/Vakuumenergie und einige andere Themen. Eng verwandt mit der Astroteilchenphysik ist ganz klar die Astrophysik und Astronomie, Physik, Kern- und Teilchenphysik, aber auch die Festkörperphysik und Plasmaphysik.

Warum Astroteilchenphysik? Der Name Teilchenastrophysik stand auch im Raum, aber Astroteilchenphysik hört sich für dieses Gebiet einfach besser an. Es ist ein moderner Name mit einem modernen, naturwissenschaftlichen Thema.

Die Frage ist jetzt aber, welche Anwendung es für die Cherenkov-Strahlung in der Astroteilchenphysik gibt. Schauen wir uns mal die Kosmische Strahlung an. Da wir nirgendswo sonst, außer auf der Erde sind, interessiert uns ausschließlich die Kosmische Strahlung auf der Erde an. Kosmische Strahlung tritt auf der Erde gerne in Luftschauern auf. Das ist ein heißes Wort, und hoffentlich leicht zu merken. Das Konzept vom Luftschauer ist, dass Partikel der Kosmischen Strahlungen aller Art in die Erdatmosphäre eintreffen, also z.B. α-Teilchen, Protonen, einzelne Atome, und sowas in der Art (am besten so hochenergetisch wie möglich, wegen dem Spaßfaktor jedem Wissenschaftlers), das nennt man das Primärteilchen, dabei wechselwirken sie mit den Atomen und Moleküle der Luft. Sie zerstören förmlich die Teilchen und ihre Produkte, die bei den Reaktionen der beiden Teilchen entsteht, z.B. α-Teilchen, Protonen, Elektronen, Elektron-Antineutrino, Myon (In Englisch: muon), Gammaphotonen, und ein paar andere sind dann die Sekundärteilchen. Die haben aber wiederum noch soviel Energie, dass sie wieder mit anderen Luftteilchen wechselwirken. Diese Luftschauer sehen ein wenig aus wie ein Nervenstrang mit ganz vielen Haaren. Und wie kann man sowas aufzeichnen? Da gibt es hauptsächlich vier verschiedene Arten (wir sind nicht beim Thema Kosmische Strahlung) und eine davon tatsächlich durch Cherenkov-Detektoren, also durch Gerätschaften, die die Cherenkov-Strahlung nutzen, um die Kosmische Strahlung zu detektieren. Da gibt es z.B. die Szintillatoren, das sind so Gerätschaften, die bei IceTop (IceCube) verwendet werden. Meistens verwenden sie Kristalle (Silizium, Quarz…), die die geladenen Teilchen durchdringen, zwar an Energie verlieren, aber jedoch als Cherenkov-Lichtblitze für wenige Nanosekunden am Photonendetektor aufgefangen werden können. Ich bin mir jetzt allerdings unsicher, ob sie einen Photomultiplier verwenden, oder nicht.

Andere Ideen, die Kosmische Strahlung mittels der Cherenkov-Strahlung zu detektieren, ist, z.B. viele Wasser- oder Eistanks mit hochempfindlichen Licht-Sensoren und ggf. Photomultiplier aufzustellen, wie es dem Prinzip ähnlich im Tunka-Tal in Sibirien, beim KASCADE (grande)-Experiment, bei (Super-)Kamiokande, ANTARES. Beim Pierre-Auger-Observatorium in der Pampa, Argentinien, werden scheinbar auch diese Szintillatoren verwendet.

Und da gibt es auch noch hochempfindliche Teleskope, die die Cherenkov-Strahlung in der Luft suchen, z.B. in der Namib-Wüste in Namibia das Projekt HESS, da haben sie ein primäres Spiegelteleskop und in kleiner Entfernung vier weitere kleine Spiegelteleskope.

Wenn euch diese Experimente interessieren, oder ich mal einen langen Beitrag über die Astroteilchenphysik schreiben soll, dann lasst es mich doch wissen, solche Beiträge lässt sich organisieren. Warum kam jetzt längere Zeit nichts? Ich war für eine Woche das KIT Campus Nord, näher das IKP, besuchen und davon werde ich demnächst auch berichten und ein paar Bilder zeigen.

Die Formeln für die Mathematiker, sowie die Cherenkov-Strahlung ein bisschen ausführlicher beschrieben: https://www.thphys.uni-heidelberg.de/~wolschin/eds15_3s.pdf; https://arxiv.org/pdf/1901.00146.pdf

Quellen:
https://www.symmetrymagazine.org/article/august-2009/explain-it-in-60-seconds-cherenkov-light
https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/CosmicRay/ChLight/Cherenkov.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Tscherenkow-Strahlung
https://www.auger.org/index.php/observatory/amiga
https://www.thphys.uni-heidelberg.de/~wolschin/eds15_3s.pdf
Gespräch mit u.a. Donghwa Kang, Hrvoje Dujmovic am 02. und 03.03.2020, KIT Campus Nord, IKP

Bildquellen:
https://particlegadgeteering.files.wordpress.com/2018/02/19963344882_1fa483fb05_z.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Advanced_Test_Reactor.jpg

Flares, nicht zu verwechseln mit Novae, sind spontane kurzanhaltende Helligkeitsausbrüche. Innerhalb von einigen Minuten oder wenigen Stunden Länge steigert sich die Helligkeit um den Faktor 100, 1000, 10 000, und manchmal noch mehr. Nicht nur bei fremden Sternen tritt sowas auf, auch bei der Sonne im minimalen Maß. Dabei setzen sie in der Zeit auch mit der Helligkeit rückgekoppelt dementsprechend viel Energie frei. Bei dem Vorgang könnte unter einem großen Flare auch die Lebensfreundlichkeit von Planeten ausgelöscht werden. Dabei gilt, dass Rote Zwerge und auch Braune Zwerge, die kleinsten Sterne, die es gibt, am stärksten dafür anfällig sind. Die Sonne ist am obersten Rand zum Roten Zwerg.

Was sind Novae, was sind Flares?

Novae

Novae sind Helligkeitsausbrüche in einem Doppelsternsystem. Sie entstehen bei einer explosiven Zündung der Fusion an der Oberfläche von weißen Zwergen. Novas sind dabei keine Veränderliche, wie etwa LBV-Sterne, oder Zwergnovae, sowie Supernovae. So war die „Nova Monocerotis 2002“ um V838 Mon keine Nova, sondern vermutlich eher eine „Merger-Nova“. Obwohl Novae ebenso schnell verschwinden wie Supernovae. Dabei gibt es sechs verschiedene Arten von Novae:

• NA: Die Klassischen Novae sind sehr schnelle bis mittelschnelle Novae mit einer Abnahme der Helligkeit von 3 Größenordnungen innerhalb von 100 oder weniger Tagen.
• NB: langsame Novae mit einer nur langsamen Helligkeitsabnahme. Abnahme der Helligkeit von 3 Größenordnungen innerhalb von etwa 150 Tagen und mehr.
• NC: sehr langsame Novae; auch symbiotische Novae genannt verbleiben mehrere Jahre im Maximum und ihre Helligkeit verblasst ebenfalls nur innerhalb von ein paar Jahrzehnten.
• NR: Novae, die im historischen Zeitraum mehrmals ausgebrochen sind. Der Fachbegriff ist rekurrierende Novae.
• NL: Objekte, die Novae ähneln, aber durch ihre Helligkeitsänderungen, Entfernung, oder spektralen Eigenschaften bislang nur ungenügend erforscht wurden.
• N: Novae, die sich nicht in eine Gruppe einordnen lassen.

Es gibt immerhin 400 bekannte Novae. Mit Novae lassen sich die Distanz von Galaxien auch außerhalb der lokalen Gruppe präzise bestimmen.

Flares

Allgemeinhin sind Flares sind alle Arten von stark ansteigende und auch wieder abklingende Leuchterscheinungen. So könnte man ein aufblitzendes Flugzeug, welches von der Sonne angestrahlt wird, als Flare bezeichnen.

Bei Flares von Sternen oder von der Sonne handeln es sich allerdings um Strahlungsausbrüche nahe der Photosphäre des betreffenden Sterns. Dabei wird verstärkt Strahlung beobachtet, im gesamtem EM-Spektrum gibt es Ausschläge, auch hochenergetische Partikel wie Elektronen, Protonen und Alpha-Kerne.

Die Sonne durchlebt einen elfjährigen Aktivitätszyklus von Sonnenflecken und sonstigen Erscheinungen. Dabei gibt es bei Sonnenflecken magnetische Anomalien, sie können Massen aus der Sonne in die magnetischen Feldlinien über der Protuberanz lenken. Das nennt man auch Plasma-Magnetfeldbögen. Manchmal steigen sie auch auf und werden „rausgedrückt“. Dann werden Massen aus der Sonne bewegt und stark beschleunigt. Das nennt man einen koronalen Massenauswurf (CME). Das steigert die Intensität der von der Sonne ausgehenden Röntgen- und Gammastrahlung und führt zu erhöhten Strahlungswerten in den Van-Allen-Gürteln und in der Ionosphäre. Polarlichter (Rekombinationsleuchten) werden noch in den mittleren Breiten stark sichtbar sein. Das Schlimmste aber ist, dass elektrische Systeme überlastet werden. Sie fangen Feuer, explodieren, oder mögen nicht mehr angehen.

Die Flares entstehen, wenn das Magnetfeld des jeweiligen Sterns unstabil wird und Plasmastränge freigeben kann. Während dem Flare werden bis zu mehrere Prozent Energien zusätzlich frei, die der Stern sonst freiwerden lässt. Eruptionen treten bei der Sonne stündlich auf, bloß sind sie um viele Größenordnungen schwächer, als sie von den hier beschriebenen Flares sind.

Sind Flares eine Bedrohung?

Sogenannte Superflares auf Roten Zwerge können bis zu eine Millionen Mal intensiver werden. Sie können bei Energien von 10³⁰ Joule erdähnliche Planeten dessen Ozonschicht zerstören und mit der wirklich hohen Energie dann die Lebewesen auf den Planten zerstören. Da solche Superflares selbst bei sonnenähnlichen Sternen beobachtet wurde, welche auch ähnliche relevante Parameter besitzt, könnte auch die Sonne solche Superflares hervorbringen. Superflares mit z.B. 10²⁷ J in einer Stunde sollen bei der Sonne etwa alle 800 Jahre auftreten. So ist die Chance, dass es in einem Jahr mit gewöhnlicher Aktivität passiert, bei gerade mal wenig mehr als 0,1 %. Superflares mit 10²⁸ J in einer Stunde treten etwa alle 5 000 Jahre auf. Die Chance innerhalb eines gewöhnlichen Jahrs bei der Sonne beträgt somit 0,02 %. J ist die Einheit für Energie, so ist sie gleichbedeutend mit Nm (Newtonmeter), Ws (Wattsekunde), oder VAs (Voltamperesekunde), oder mit kg × m²/s². So ist damit gemeint, dass wir 1 J brauchen, um z.B. 1 N (Newton) (kg × m/ s²) einen Meter (m) hochzuheben. Auf der Erde entspricht 1 N Gewichtskraft fast genau 0,102 kg, dass entspricht vielleicht einer Tafel Schokolade.

Rote Zwerge, Killerzwerge?

Gerade von Roten Zwergen ist es bekannt, dass sie öfters mal einen ablassen müssen. Auf Dauer schadet es den eigentlich vielleicht sogar habitablen Supererden und lässt auf der Oberfläche eine intensivere Strahlung, etwa UV-Strahlung zu. Das ist besonders für komplexere Organismen und Molekülstrukturen gefährlich. So galt Proxima b lange Zeit als möglicherweise lebensfreundlich. Am 24. März 2017 könnte möglicherweise Leben auf Proxima b zerstört worden sein. Dort wurde bei Messungen zufällig ein Superflare von etwa 10²⁵ J/h oder etwa 2,8 × 10²¹ W entdeckt. Entdeckt wurde der Flare nach einer Revision von den Daten von G. Anglada et al., der eigentlich Staubringe um Proxima nachweisen wollte.

Auch habe ich von einem kürzlichen Fall zu berichten. XMM-Newton, ESAs Röntgenobservatorium fing Röntgenstrahlung von einem Braunen Zwerg der Spektralklasse L auf. Der Braune Zwerg ist etwa 783 Lichtjahre weit weg. Nur in wenigen Minuten, gab er mehr zehnmal mehr Energie frei, als die energetischsten Flares der Sonne. Die Wissenschaftler, die diese Entdeckungen veröffentlichten, haben nicht damit gerechnet, dass das Magnetfeld von Braunen Zwergen der L-Klasse so viel Energie innehaben kann. Seine Bezeichnung ist 3XMM J033158.9-273925 und hat typisch für die L-Klasse eine effektive Oberflächentemperatur von etwa 2 100 Kelvin und strahlt demnach hauptsächlich im Infraroten. Im Vergleich, die Sonne hat eine effektive Oberflächentemperatur von etwa 5 780 Kelvin.

Quellen:
https://abenteuer-astronomie.de/proximas-missverstaendnis-reingelegt-von-einem-flare/
http://www.sci-news.com/astronomy/xmm-newton-x-ray-superflare-ultracool-dwarf-08159.html
https://lexikon.astronomie.info/keywords/Flares.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Protuberanz
https://de.wikipedia.org/wiki/Joule
https://de.wikipedia.org/wiki/Superflare
https://de.wikipedia.org/wiki/Sonneneruption

→ In einem vorhergehenden Beitrag beschrieb ich bereits den Uranus.

Heute möchte ich mich allerdings dem Thema widmen, warum er diese stark geneigte Rotationsachse wohl haben könnte. Dazu müssen wir uns bekanntes Wissen ansehen, welches relevant dazu ist, um später verschiedene Möglichkeiten anzusehen, die mir wahrscheinlich erscheinen.

Relevante Daten

• Neigung der Rotationsachse von Uranus bei 97,77°
• Rotationsdauer: 17_h14_min24_sec
• Mondsystem: 5 Hauptmonde; 24 Asteroidenmonde
• Fester Kern aus Silikaten und Eisen-Nickelverbindungen, geschätzte Masse: 55 % der Erde
• Dichte: 1 270,4 kg/m³, das ist etwa tausendmal mehr als Luft
• Masse: 8,681 × 10²⁵ kg, oder 14,536 Erdmassen
• Radius: 25 362 km, fast viermal so viel wie der Erdradius
• Temperatur: bei 1 Bar durchschnittlich 76 K
• Uranus strahlt nur wenig Wärme ab, etwa 106 % von dem, was er durch die Sonne bekommt.
• Der Äquator ist eine unerklärlich wärmere Stelle, im Vergleich zu den Polen, trotz seiner Stellung zur Sonne.

Theorien zur Schieflage des Uranus

Wir wissen nur wenig über den Uranus, da bisher nur eine Raumsonde, Voyager 2, ihn besucht hat und lediglich innerhalb von einem Tag an ihm vorbeigeflogen ist. Fast alles detailreicheres Wissen stammt aus dieser Passage. Zwar können wir auch heute noch mit großen Teleskopen Uranus beobachten und durch Observationen mithilfe von verschiedenen Wellenlängen im Spektrum auch von Uranus verschiedene Aspekte genauer betrachten, oder bei Sternbedeckungen, die meist vielleicht bloß eine halbe Sekunde dauern, Teile der Atmosphäre und den Ringen zu durchleuchten, aber schließlich würde es uns viel mehr weiter helfen, wenn wir eine Raumsonde zu Uranus schicken. Soweit ich weiß, gibt es tatsächlich Ideen zu einer Mission, die Uranus und Neptun näher erforschen will.

Alles was man also über die Schieflage des Uranus sagen kann, sind vielleicht nur gute Spekulationen. Sie müssen alles plausibel und möglichst einfach erklären können, was damit zusammenhängen könnte.

Weitestgehend akzeptierte Theorie

Die bekannteste Vermutung ist die, dass ein Protoplanet von fast zwei Erdmassen, oder mehrere Protoplaneten und Objekte, die insgesamt etwa 2 Erdmassen haben. Sie müssten ähnlich wie der Protoplanet Theia mit der Erde in einem Streifschuss den Uranus treffen und ihn so auf eine andere Rotationsachse bringen. Was für mir allerdings ein wenig dagegenspricht ist, dass eben der Gesteins/Metallkern eine Masse haben soll, die nicht so in die Größenordnung passt. Auch kann dieser Aufprall nur während der Entstehungsphase des Sonnensystems passiert sein, denn sonst wären die Monde des Uranus nicht mit seinem heutigen Äquator mitgerückt. In der Entstehungsphase deswegen nur, weil es dort protoplanetare Scheiben um alles Mögliche gab, überall wo es eine Massenkonzentration gab, fühlten sich die Teile in der Nähe angezogen und so entsteht eben eine Scheibe wie ein Wirbelsturm vom All aus um Planeten.

Es gibt immer mal wieder genauere Computersimluationen, wie eine die hier berichtet wird. In dem weiterleitenden Link wird so zum Beispiel berichtet, dass bei einem einzigen Impakt die Monde wahrscheinlich retrograd zur Uranus-Rotation laufen müssten. Bei zwei oder mehreren Impakten soll es wahrscheinlicher sein, dass sie prograd, d.h. mit der Uranus-Rotation laufen. Da die Monde tatsächlich auch mit der Rotation vom Uranus ihre Bahn beschreiben, dürfte letzteres eher hinkommen.

Meinen Überlegungen nach, könnte es ein Protoplanet gewesen sein, der eine der Uranus nahen Bahn beschreibt, hat allerdings eine exzentrische, also elliptische Bahn, jedoch um 1° bis 2° gegen die Bahn von Uranus geneigt. Uranus hat ihn jedoch eingefangen, kurz nachdem der Protoplanet den ab- oder aufsteigenden Knoten (im Bezug auf die Bahn von Uranus) passiert hat. Der Protoplanet ist in eine stark gegen den damalig noch gut ausgerichteten Äquator des Uranus geneigten Bahn eingedrungen und konnte so in einem Streifschuss Uranus umhauen.

Weitere mögliche Theorien

Massenverteilung im Uranus:

Es wäre möglich, dass Uranus sein Massenschwerpunkt sich bei der Entstehung oftmals verlagert und so sich gedreht hat. Ein mögliches Indiz dafür ist sein Quadrupolfeld: Bei dem Besuch der Voyager 2 ist aufgefallen, dass sich eine der Magnetfelder eine Achse etwa 60° versetzt zu der Rotationsachse aufweist, und die Achse um 1/3 vom Radius entfernt ist. Möglicherweise bietet der Mantel und der Kern es an, dass sich der Massenschwerpunkt so verlagert werden kann. Jedoch würde der Uranus stärker taumeln, als die meisten Planeten, wenn das immer noch der Fall ist. Einen sich verändernden Masseschwerpunkt könnte auf dem gesamten Aufbau einen Einfluss nehmen, wenn es noch Folgen davon gibt, könnten Klimaanomalien wie die bei dem Uranusäquator, oder geringe Oberflächentemperatur erklärt werden.

Uranus kommt von außerhalb

Vielleicht wurde er in Vergangenheit bei einem nahen Kontakt von einem anderen Sternsystem übergeben. Sein Mondsystem war damals noch näher an Uranus als heute. Sie wurden in unserem Sternsystem übergeben und durch gravitative Einflüsse von Saturn und Neptun konnte er stabil eine sehr kreisförmige Umlaufbahn annehmen. Als einer seiner größeren Monde zu nah an Uranus kam, wurde er durch Gezeitenkräfte zerrissen. Es gibt tatsächlich viele Exoplaneten, die eine ähnliche Masse und Dichte aufweisen, was die Wahrscheinlichkeit nicht mehr ganz so unwahrscheinlich wirken lässt.

Allerdings ist es weit hergeholt. Uranus passt bestens in die Ekliptik und hat eine nicht unschöne Bahn. Seine fremde Herkunft erscheint unwahrscheinlich, sein Material, aus dem seine dichte Gashülle besteht, entspricht ziemlich unserem Sonnensystem. Seine Entstehung im Sonnensystem liegt ziemlich in der Hand.

Quellen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Uranus
https://www.scinexx.de/news/kosmos/planetare-katastrophe-am-uranus/
https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/wieso-uranus-auf-der-seite-liegt/

Wer ist Trumpler?

Robert Julius Trumpler ist in der Schweiz gebürtig, geboren am 02. Oktober 1886 in Zürich und wuchs in guten Bedingungen auf. Er studierte Astronomie und wechselte die Universität nach Göttingen. Im November 1910 erhielt er seinen Doktor. Wenige Monate später zog er zurück in die Schweiz. Er bekam durch den Direktor des Allegheny Observatory, Frank Schlesinger, eine Anstellung dort. Sie trafen sich 1913 auf einer astronomischen Tagung in Hamburg. Jedoch durchkreuzte der Ausbruch des Ersten Weltkrieges seine Pläne, Trumpler wurde von der schweizerischen Armee mobilisiert und in die Alpen stationiert. Frank Schlesinger übte Druck aus, um Trumpler. So konnte er im Frühjahr 1915 für seine Anstellung am Allegheny Observatory in die USA ziehen. 1918 wechselte er zum Lick Observatory, um mit W.W. Campbell zusammenzuarbeiten. In den USA blieb er dann allerdings dauerhaft und wurde 1921 US-Bürger. 1922 nahm er an der Expedition teil, um die damals noch neue ART (Allgemeine Relativitätstheorie) mit der Sonnenfinsternis vom 21. September 1922 in Australien zu prüfen. Außerdem studierte er in den Oppositionen von 1924 und 1926 sorgfältig den Mars. 1932 wurde er in die National Academy of Science gewählt. 1938 wechselte er als Professor nach Berkeley. Durch sein hohes Alter verließ er 1951 Berkeley und zog sich aus der Astronomie zurück. Er verstarb am 10. September 1956 nach einigen Tagen Krankenhausaufenthalt. Seine wohl wichtigste und bekannteste Arbeit war seine Klassifikation.

Die Astronomical Society of the Pacific vergibt ihm zu Ehren jedes Jahr den Robert J. Trumpler Award für hervorragende astronomische Dissertationen.
Ein Mondkrater ist nach Trumpler benannt.

Die Trumpler-Klassifikation

Er stellte ein System auf, welches offene Sternhaufen nach drei, bzw. vier Charakteristiken klassifiziert.
Die erste Gruppe von Charakteristiken sind gekennzeichnet mit römischen Ziffern.

1. Der Haufen zeigt eine starke Konzentration von Sternen zum Zentrum hin und hebt sich damit deutlich vom Hintergrund ab. Erinnert an Kugelsternhaufen.
2. Der Haufen zeigt eine schwache Konzentration, hebt sich dennoch vom Hintergrund ab.
3. Der Haufen zeigt kaum eine Verdichtung von Sternen zum Zentrum hin.
4. Der Haufen hebt sich nur sehr schwach oder garnicht ab. Eine Unterscheidung vom Hintergrund fällt schwer.

Die zweite Gruppe mit arabischen Ziffern.

1. Die Sterne des Haufens leuchten alle mit vergleichbarer Intensität.
2. Die Helligkeit ist bei allen Mitgliedssternen zumindest ähnlich
3. Einige Sterne im Haufen sind deutlich leuchtschwächer als andere.

Und in der dritten Gruppe in seinem System verendet er Buchstaben

p             (poor – arm): Der Haufen besitzt weniger als etwa 50 Sterne
m            (moderately – moderat): Ein Haufen mit 50 bis 100 Sterne
r              (rich – reich): Der Haufen hat 100 oder mehr Sterne

Es gibt noch eine weitere Gruppe, die er erst später hinzugefügt hat:

E             (elongated – länglich): Die Form des Haufens erscheint elliptisch oder allgemein länglich
U            (unsymmetrical- unsymmetrisch): Die Sterne das Haufens sind irregulär verteilt.
N            (nebulous – neblig): Besonders junge Haufen haben noch interstellare Wolken eingebettet, die meistens von den leuchtstarken Sternen zum Leuchten angeregt werden.

Die Buchstaben der vierten Klassifikation sieht man auch oft genug als kleine Buchstaben.

Quellen:
http://www.messier.seds.org/xtra/Bios/trumpler.html
Kosmos Himmelsjahr 2016, Hans-Ulrich Keller, Kosmos, ISBN 9783440145807, von 2015, ab S. 239

Tycho und Kepler, Teil 7: Keplers Gesetze

Kepler nutzte Tychos Beobachtungsdaten sehr, um seine wirklich bekannten klassischen Gesetze der Bewegung aufstellen zu können. Als Basis für seine Theorie studierte er insbesondere die Marsstellungen, die Tycho Brahe aufgezeichnet hat. Mit den Marsstellungen hoffte er auf Erfolg – und dieser blieb nicht aus!

Kepler vermutete hinter den Bewegungen des Mars eine Ellipse um die Sonne, eine Ellipse ist auch ein schräger Kegelschnitt. Kepler kannte nämlich genau die Eigenschaften von Kegelschnitten, er hatte Apollonius von Perges Werk genau studiert.
Es erscheint mir wirklich bizarr, denn zu Perges Werk hatte Ptolemäus und Kopernikus theoretisch Zugang, aber beide nahmen wahrscheinlich unabhängig von einander an, dass die Planeten Kreisbahnen beschreiben. Jedoch war es für diese Zeit, vermutlich genau aus dem Grund, dass die Gelehrten die Werke von beiden kennen, noch absurd, so wie sein älteres Werk über die fünf platonischen Körper, es erschien den damaligen Gelehrten absolut unverständlich, weswegen denn die Planeten eine elliptische Bahn um die Sonne folgen sollen. Was sollen denn diese Ellipsen überhaut mit dem System der Welt gemeinsam haben?
Doch auch wenn es noch einige Zeit vergehen musste, bis Keplers Gesetze Anerkennung finden, entsprechen sie dem aktuellen Verständnis der Physik.

1. Gesetz: Die Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.
   Eine Ellipse oder ein Kegelschnitt besitzt zwei symmetrisch zueinanderstehende Brennpunkte auf der Längsachse. Brennpunkt deswegen, weil wenn ein Lichtstrahl auf die Begrenzung des Kegelschnitts oder der Ellipse trifft, wird er zu einem der Brennpunkte reflektiert werden.
2. Gesetz: Der Radiusvektor (allgemeiner bekannt als Fahrstrahl) von der Sonne zum Planeten überstreicht in gleichen Zeiten gleichen Flächen.
   Das bedeutet, dass wenn ein uns ausgedachter Planet auf einer ausgedachten exzentrischen Flugbahn gerade der Sonne fern ist, so ist der Planet zwar langsamer, aber die Fläche wird durch den größeren Abstand genauso groß sein, wie wenn ein Planet zwar sehr viel von seiner Strecke zurückgelegt hat, aber durch den kleineren Abstand zur Sonne dann doch nur die gleiche Fläche geschafft hat. Wegen dem Verständnis eine eigens dafür erstellte Grafik.
3. Gesetz: Die Quadrate der Umlaufzeiten der Planeten verhalten sich wie die Kuben der großen Halbachsen ihrer Bahnellipsen. U² = a³
   Der Quotient gilt auch sonst für alle Himmelskörper, die sich in einer Umlaufbahn befinden. Ein Rechenbeispiel: U² = a³ . Also gilt für U folgendes: U = sqrt(a³) = a × sqrt(a), und für a folgendes: a = 3yrt(U²). Dabei sind AE und Jahre gleichgestellt.
   Da die Formeln aus Word nicht funktionieren, hier nochmal als Bild:

Seine ersten beiden Gesetze beschreiben die Stellungen der Planeten und man könnte die Planetenpositionen ziemlich exakt damit berechnen, wenn man die genauen Stellungen der Planeten kennt. Wenn sie natürlich zu ungenau sind, verfälscht man sich das Ergebnis damit selbst. Erstmals konnte jemand die Bahnbewegung der Planeten richtig erklären und berechnen. Von seinem dritten Gesetz war er selbst beeindruckt. Er vermutete trotzdem ähnlich wie Kopernikus und Ptolemäus, dass der Quotient der Umlaufzeit und der großen Halbachse in einem göttlichen Verhältnis stehen muss, denn er konnte unmöglich für alle Planeten zufällig der gleiche sein.

Sein Vermächtnis sind die Rudolfinischen Tafeln und seiner drei Gesetze, die er mit Verzögerung veröffentlichen konnte. Zu der Zeit tobte nämlich der Dreißigjährige Krieg und viele feindliche Bilder der katholischen, oder sogar der Protestanten, wurden zu dieser Zeit leicht eliminiert. Seine mathematischen Fähigkeiten und Erkenntnissen zu den Kegelschnitten und Tycho Brahes äußerst akkuraten Messungen lieferten ein noch ungenutztes großes Potenzial. 1628 konnte er seine Theorie der gelehrten Welt zugänglich machen. Da sich wissenschaftliche Erkenntnisse jedoch immer noch sehr langsam verbreiten konnten, waren die jungen Astronomen Jeremiah Horrocks und William Crabtee vermutlich im Jahr 1639 die Ersten, die die Rudolfinischen Tafeln benutzten – und das immerhin nach 10 Jahren (und wenigen Monaten). Trotzdem erlangte seiner Zeit keiner von Keplers Werke so großes Aufsehen, wie die von Kopernikus zu seiner Zeit, oder eine Generation nach ihm, die Werke von Galileo Galilei.

Tycho und Kepler, Teil 6: Johannes Kepler

Johannes Kepler, ein wichtiger Astronom um den Jahrhundertswechsel 1600, auch leidenschaftlicher Astrologe, der ab 1600 für Tycho Brahe arbeitet. Nach seinem Tod in 1601 übernahm er seinen Platz. Er konnte zehn Jahre lang arbeiten, bis schlechte Zeiten über ihn einbrachen. So musste er schnell zu seiner Mutter, die als Hexe verdächtigt wurde und vor einem Prozess steht. Kepler konnte seine Mutter vor der Verbrennung retten, aber sein Leben wurde nicht mehr wie früher.

Johannes Kepler, geboren in Weil der Stadt, im Jahr 1571, wuchs in schwierigen familiären Verhältnissen auf, so verließ der Vater die Familie als Kepler 5 Jahre alt war. In seiner Kindheit erlitt er einer damals noch gefährlichen Pockenerkrankungen. Er wurde stark kurzsichtig. Trotz einer zusätzlichen finanziellen Not konnte er zur Schule gehen und 1589 sogar ein Theologiestudium beginnen. Während dem Studium wurde er mit dem kopernikanischen Weltbild vertraut gemacht. Er soll es theologisch und mathematisch verteidigt haben.

Auch seine Mutter half beim Astronomie-Thema nach: Sie zeigte ihm zum Beispiel den Großen Komet von 1577, oder 1580 eine Mondfinsternis. So weckte sie bei ihm das Interesse an der Astronomie. Auch war er begeistert von der Astrologie und so erstellte er Horoskope, von denen heute übrigens noch über 800 Stück erhalten sind.

Johannes Kepler heiratete 1597, allerdings war die Beziehung nicht von großer Tragweite: 2 von 4 Kinder von den beiden starben bereits früh; außerdem enttäuschte Kepler seine Frau ihn sehr, als sie ihm ohne Zweifel erklärte, dass sie Astrologie für reinen Quatsch halte.

Trotz seiner Liebe zur Astrologie war er auch ein guter Mathematiker. Er war komplett überzeugt davon, dass der christliche Heiland, dass Universum nach mathematischen Figuren und Einheiten geschaffen hat. So hat er zum Beispiel versucht, die Bahnen der Planeten mit regelmäßigen Vielecken zu vergleichen, um den Abstand der Bahnen zu bestimmen. Es hatte nicht geklappt.
Nun versuchte er es statt zweidimensionalen Flächen mit dreidimensionalen Körpern. Er stellte schon bald fest, dass die fünf platonischen Körpern in diese sphäroidalen Bahnen passten. Bei den platonischen Körpern handelt es sich um die vollkommensten Körper, abgesehen von der Kugel, sie setzen sich aus den regelmäßigen Vielecken zusammen. Seiner Ansicht nach, war das im Groben die endgültige Erklärung dafür, warum „Gott“ solche regulären Körper erschaffen hatte. Das war die Erkenntnis, die Tycho Brahe nicht sehr gefiel, aber um den Ideenreichtum beeindruckte. Sein Ergebnis ließ er im „Mysterium Cosmographicum“ (Das Weltgeheimnis) abdrucken.

Als Kepler 1600 dann ein Assistent von Tycho Brahe wurde, sollte er zur Fertigstellung der „Rudolfinischen Tafeln“ dienen. Sie wurden natürlich nach Rudolf dem II. benannt (Brahes Gönner). Mit den Tafeln sollen sich dann endlich die Planetenstellungen genauer berechnen und vorhersagen lassen. Allerdings ließ Tycho Brahe ihm gerade so viel Einblick in seine Daten gewähren, sodass er seine Arbeit weiterführen kann. Aber ohne die Offenbarung von Tychos aller Beobachtungsdaten, konnte Kepler niemals die Tafeln fertigstellen. Am 24. Oktober 1601, noch nicht mal nach einem Jahr der Zusammenarbeit verstarb Tycho Brahe, siehe letztes Kapitel, Brahe überließ offiziell Kepler alle seiner gesammelten Beobachtungsdaten. Aus diesen Daten konnte er die drei Keplerschen Gesetze ableiten. Er entdeckte z.B. so, weil sich Tycho Brahe sich insbesondere für die Stellung des Planeten Mars interessiert war, dass der Mars um 8 Bogenminuten um die Kreisbahn abwich. So passten seine Daten weder zur Epizykeltheorie von Ptolemäus, weder zum Heliozentrischen Weltbild von Kopernikus, der übrigens nur Kreisbahnen annahm, weil es ihm als die vollkommenste Form erschien, obwohl er Zugang zu den Arbeiten zu den Kegelschnitten von Apollonius von Perge gehabt hätte.

1604 ereignete sich dann noch eine Supernova, die Kepler beobachten konnte, die Letzte war erst 1572 detoniert. Bis zum heutigen Tage übrigens, war die Supernova von 1604 die letzte beobachtbare Supernova in der Milchstraße. Der Hofangestellte Johann Brunowski fiel die Supernova als Erstem auf. Zuerst dachte Kepler, der seinen Bericht gelesen hatte, es wäre ein Irrtum, doch am 17. Oktober, als sich die Wolken über Prag wieder verzogen, erkannte er unübersehbar die Supernova, die so hell wie der Jupiter geleuchtet haben sollte. Sie stand im Sternbild Ophiuchus (Schlangenträger), die Supernova, die Brahe beobachtete, stand im Sternbild Kassiopeia. Aber wie bei Tycho Brahe verblasste dieser vermeintlich neu entdeckte Stern binnen zweier Jahre.

Und zu guter Letzt das doch sehr emotionale, und religiöse Verhältnis Keplers zur Wissenschaft:

„Es ist wahr, dass die Menschen durch eine göttliche Stimme zum Studium der Astronomie angeregt werden. Diese Stimme äußert sich nicht in Worten und Silben, sondern in der Natur selbst. Sie ist in den Dingen und in dem Einklang der menschlichen Sinne und Gedanken mit der Ordnung und den Eigenschaften der himmlischen Objekte. Trotzdem gibt es ein Schicksal, durch dessen unsichtbare Kraft verschiedene Menschen dazu gebracht werden, verschiedene Künste zu ergreifen. Durch sie können sie sicher sein, dass als Teil der Schöpfung auch bis zu einem bestimmten Anteil an der göttlichen Vorsehung teilnehmen. Als ich in meinen ersten Jahren die Süße der Philosophie genoss, umarmte ich das Ganze mit überwältigender Sehnsucht. Und ohne spezielles Interesse an der Astronomie.  Wissen hatte ich genug und darum keine Schwierigkeiten, astronomische und geometrische Themen zu verstehen, die zum normalen Curriculum gehörten. Sicher half mir auch mein Talent für Zeichnungen, Zahlen und Verhältnisse […].“

~Johannes Kepler

Bis zum Nächsten Mal.