Popular articles / Populärwissenschaftliche Beiträge

Licht vom Anfang der Welt: Können Sternexplosionen das Universum vermessen?, W. Hillebrandt, Öffentlicher Abendvortrag in der Reihe ,,Physik Modern 2001'', LMU München, Mai 2001

Supernovaexplosionen sind die bei weitem energiereichsten Ereignisse in unserer kosmischen Nachbarschaft. Sie sind für die Entstehung der meisten chemischen Elemente verantwortlich, und sie bestimmen ganz wesentlich den Energiehaushalt der Materie zwischen den Sternen. Ihre außergewöhnliche Leuchtkraft, im Maximum erreichen sie fast die Helligkeit einer ganzen Galaxie, macht sie im Prinzip zu idealen Maßstäben für die Bestimmung unseres Abstandes von den entferntesten Galaxien und damit auch zur Festlegung kosmologischer Parameter, wie der Expansionsrate und der mittleren Materiedichte des Universums (die allerdings noch viel genauer durch die Vemessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bestimmt werden kann). Voraussetzung hierfür ist, daß alle Supernovae genähert gleich hell sind und wir sie deshalb als ,,Standardkerzen'' verwenden können. Mit Hilfe spezieller Suchprogramme hat man inzwischen viele solcher weit entfernter Supernovae identifiziert und auf diese Weise die derzeit wohl zuverlässigsten Werte für das Alter des Universums und seine geometrische Struktur bestimmt. Doch die Ergebnisse waren sehr überraschend. Wir scheinen in einem Universum zu leben, das wegen einer neuen unbekannten Energieform beschleunigt expandiert. Darüber hinaus werden auch die neuesten Ergebnisse der Vermessung des Mikrowellenhintergrundes vorgestellt.

Weltraumastronomie: Ein Fenster zum Universum., W. Hillebrandt, Vortrag gehalten bei 25. Edgar-Lüscher-Physikseminar, Gymnasium Zwiesel, April 2001

Weltraum-gestützte Beobachtungen sind heute ein unerlässliches Hilfsmittel der Astronomie. Sie sind nötig, weil die Erdatmosphäre für den größten Teil des elektromagnetischen Spektrums undurchsichtig ist oder sie die auf der Erde ankommenden Daten verfälscht. Sie erlauben der Astrophysik eine umfassendere Sicht der Planeten, Sterne, Galaxien und selbst der Entwicklung des Kosmos. Beispiele sind die Ergebnisse der Gamma- und Röntgenteleskope ``Compton-GRO'' und ``Rosat'' oder auch das Weltraumteleskop ``Hubble''. Einige der wichtigsten Erfolge der Weltraumastronomie in den letzten Jahren werden vorgestellt, und ein Ausblick auf zukünftig noch zu erwartende neue Erkenntnisse wird gegeben.

Ballett der Galaxien, Felix S. Stoehr and Simon D. M. White, Mai 2001, Sterne und Weltraum.

Immer bessere Beobachtungen enthüllen die Geheimnisse des Ursprungs und der Entwicklung von Galaxien und großen Strukturen im Universum. Supercomputer erlauben es heute, die komplizierten zugrundeliegenden Vorgänge zu verfolgen und so die Brücke zwischen Beobachtung und Theorie zu schlagen.

Entdeckungsreise mit dem Computer: Dem Rätsel der Supernovae auf der Spur, Hans-Thomas Janka, Konstantinos Kifonidis und Ewald Müller, Mai 2001, Sterne und Weltraum.

Computermodelle sind aus der modernen Astrophysik nicht mehr wegzudenken. Die extremen Bedingungen in astrophysikalischen Objekten sind für die irdische Laborphysik nur in sehr seltenen Fällen zugänglich. Das direkte Experiment an kosmischen Objekten ist nicht möglich. Daher müssen modernste Superrechner helfen, die komplizierten Vorgänge durch Anwendung bekannter physikalischer Gesetze nachzuvollziehen und der menschlichen Anschauung zugänglich zu machen. Manchmal kommt es dabei sogar zu unerwarteten Entdeckungen.
Am Max-Planck-Institut für Astrophysik wird versucht, die Geheimnisse explodierender Sterne mit aufwendigen Computersimulationen zu lüften. Trotz einer Flut von Beobachtungsdaten durch das Jahrhundertereignis der Supernova 1987A sind die genauen Prozesse, die beim Gravitationskollaps und der Explosion massereicher Sterne ablaufen, nach wie vor nicht zufriedenstellend geklärt.

Supernovaexplosionen massereicher Sterne, Hans-Thomas Janka und Ewald Müller, Physik in unserer Zeit.

Supernovaexplosionen beenden die Entwicklung massereicher Sterne, sind aber gleichzeitig die Geburtsstätte von Neutronensternen und Schwarzen Löchern, deren gravitative Bindungsenergie durch Neutrinos abgestrahlt wird. Numerische Simulationen auf modernsten Supercomputern ermöglichen es, die komplizierten Vorgänge besser zu verstehen.

Fitting the Universe on a Supercomputer, S.D.M. White and V. Springel, Computing in Science and Engineering, Vol. 1.p. 36, March/April 1999

Simulations run on the largest available parallel supercomputers are answering the question of how today's rich cosmic structure developed from a smooth, near featureless early universe. Two such simulations illustrate how algorithm and implementation strategies can be optimized for specific cosmological problems.
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Das kosmologische Standardmodell, G.Börner, Febr. 1999, Vortrag im bayerischen Fernsehen

Die Kosmologie ist eine ganz besondere Wissenschaft. Da ihr Forschungsgegenstand die Struktur und Dynamik des Universums als Ganzes ist, befasst sie sich definitionsgemäss mit einem einzigartigen Objekt und einem einzigartigen Ereignis. Jeder Physiker wäre unglücklich, müsste er seine Theorien auf ein einzelnes unwiederholbares Experiment stützen. Die Kosmologen können mit Sternen und Galaxien nicht einfach experimentieren. Sie entwerfen stattdessen ein Modell, in dessen Rahmen die Beobachtungen erst verständlich werden. Andererseits wird das Modell durch astronomische Beobachtungen auf seine Konsistenz hin überprüft. Dieses Verfahren führt zum Erfolg, weil das beobachtete Universum eine sehr einfache Grundstruktur aufweist.

Die Entstehung der Strukturen im Universum, G.Börner, Febr. 1999, Vortrag im bayerischen Fernsehen

Das heisse Gemisch aus Strahlung und Materie in der Nähe des Urknalls war nahezu strukturlos. Durch die rasche Ausdehnung und Abkühlung der Urmaterie konnten im Laufe der Zeit komplexere Strukturen entstehen. Einige Sekunden nach dem Urknall begann die Bildung der Atomkerne von Deuterium, Helium und Lithium, die nach etwa drei Minuten abgeschlossen war. Die theoretische Vorhersage, dass dann die Elemente Helium und Wasserstoff etwa im Verhältnis eins zu dreizehn vorhanden sind, stimmt mit den heutigen astronomischen Beobachtungen überein. Etwa 300 000 Jahre nach dem Urknall war die Temperatur der Strahlung auf 4500 Grad abgesunken. Strahlung und Materie entkoppelten, die ersten Atome entstanden, und die Materie konnte, der Schwerkraft folgend, sich zu dichteren Objekten zusammenklumpen. Auf diese Weise entstanden aus anfänglich kleinen Schwankungen der Massenverteilung schliesslich Galaxien und Sterne. In vielen Details ist die Galaxienbildung noch nicht verstanden. Dies ist ein aktuelles Forschungsgebiet der Kosmologie, an dem auch an meinem Institut, dem Max-Planck-Institut für Astrophysik, intensiv gearbeitet wird.

Die erste Sekunde, G.Börner, Febr. 1999, Vortrag im bayerischen Fernsehen

Eine Sekunde nach dem Urknall herrschten im Kosmos Bedingungen, die mit bekannten physikalischen Gesetzen zu beschreiben sind. Für die nachfolgende Entwicklung des Universums haben die Kosmologen ein Modell entwickelt, das in sich stimmig ist und bisher auch zu allen astronomischen Beobachtungen passt. Die ersten Sekundenbruchteile nach dem Urknall sind dagegen ein gedankliches Experimentierfeld für neue spekulative Theorien. Wenn das Standardmodell immer weiter in Richtung auf den Urknall verfolgt wird, so müssen thermische Energien betrachtet werden, die weit über den in Beschleunigern erreichbaren liegen. Das Verhalten der Elementarteilchen bei extrem hohen Energien ist grundlegend für das Verständnis dieser Phase.

Singularities of Space time, G.Börner, Jan. 1999, Textbook Contribution

Einstein's theory of gravitation, the theory of general relativity (GR) predicts two remarkable and unexpected geometrical singularities: the origin of the universe in a singularity, the so-called "big bang", and the existence of "black holes", regions of space-time which are cut-off from the rest of the world by a one-way "membrane" through which no physical information can flow outwards.
The state of matter is also singular in these configurations, because distances shrink to zero, and densities increase to infinity. These physical singularities of space-time are so extraordinary, even revolutionary, that it took quite some time, before the physics community could accept them as serious facts. It is the basic belief of physicists that all natural quantities are finite and well defined. Singularities occurring in physical theories are considered to be a consequence of an unsatisfactory mathematical formulation, or of an inherent incompleteness. In that sense GR predicts its own downfall, the limits of its validity.

Image and Reality in Cosmology, S.White, Wissenschaft, Bildung, Politik (Band 2) "Virtualität und Realität" Bohlav, Wien 1998

Because of the nature of the objects they treat, astronomers and cosmologists build and test theoretical models in a different way from scientists in other domains. In the following essay I discuss how these differences blur the distinctions between image and reality and observer and observed.

Naturwissenschaftliche Bildung und Medien, G.Börner, Nov. 1998, Vortrag am Akademiker Zentrum, München.

Was heisst naturwissenschaftliches Denken und damit auch naturwissenschaftliche Bildung? In welcher Weise können Neue Medien hier einwirken?
Unter dem Begriff "Neue Medien" möchte ich mich auf den nicht mehr so neuen Computer beschränken und auf die vielfältigen Anwendungen bei Modellbildung, Simulationen, bildgebenden Verfahren und besonders die wirklich neuen Möglichkeiten der Nutzung des Internet, des einfachen Zugriffs auf das Wissen unserer Zeit.
Nicht betrachten möchte ich die technische Anwendung, bei der die Rolle der Computer ganz offensichtlich ist - in den Konstruktionsverfahren, den Optimierungslösungen -, sondern einige Aspekte der Grundlagenforschung. Sie werden mir hoffentlich verzeihen, dass ich dabei meine eigene Disziplin, die Astronomie, speziell die Kosmologie, und die Physik als Beispiele heranziehe.

Der Zufall in der Astronomie, G.Börner, März 1998, Acta Leopoldina, Halle

Der Zufall in der Astronomie zeigt sich häufig ganz direkt in der Art, wie unbeabsichtigt aufregende Entdeckungen gemacht werden, sobald ein neues Instrument benützt wird. Als Beispiele seien hier nur genannt, die Entdeckung der "Fluchtbewegung der Spiralnebel" durch Hubble, die Auffindung der Pulsare oder der Quasare, oder auch die überraschende Entdeckung eines kosmischen Labors für die Allgemeine Relativitätstheorie, des Binärpulsars PSR 1913+16 (Hulse and Taylor 1974).