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Astronomie, Raumfahrt

In dieser Rubrik werden u.a. Informationen über die Planeten unseres Sonnensystems - zu ihrer Größe, ihrer Masse, ihren Entfernungen, der Atmosphäre, sowie den dortigen Tages- oder Jahreslängen - vorgestellt. Weiterhin sind auch Objekte außerhalb unseres Sonnensystems dargestellt, wie z.B. Galaxien, Quasare, rote Riesen, weiße Zwerge, Neutronensterne oder schwarze Löcher. Aber auch die Geschichte der Raumfahrt sowie eine Beschreibung der Raumfahrtbehörden, wie der NASA oder ESA, gehören zu den dargestellten Themen. Und natürlich findet sich hier eine, auch für den Laien, verständliche Darstellung der Entstehung unseres Universums. Auch eine wissenschaftlich korrekte, gut bebilderte und verständliche Darstellung einer Sonnen- und Mondfinsternis findet man.

Mond, Erdmond

Der Mond, der die Erde umkreist (Erdmond) ist u. a. verantwortlich für das periodische Auftreten von Ebbe und Flut. Bei seiner Rotation um die Erde, die rund einen Monat dauert, ändert er von der Erde aus gesehen seine Phasen von Neumond über zunehmenden Mond, weiter über den Vollmond, den abnehmenden Mond  wieder bis zum Neumond.




Mondfinsternis

Um das Zustandekommen einer Mondfinsternis ausreichend verstehen zu können, sind einige Grundkenntnisse der Bahnbewegungen von Erde und Mond untereinander sowie in Bezug zur Sonne erforderlich.

 




Asteroide, Meteoriten,Tunguskaereignis

Asteroide
Unter Asteroiden versteht man Himmelskörper mit Durchmessern von einigen zig Metern bis etwa 1.000 km. Sofern sie auf der Erde einschlagen, werden sie als Asteroiten bezeichnet. Größere Objekte gelten als Klein- bzw. Zwergplaneten.
Etwa 90% der Asteroiden kreisen im Asteroidengürtel zwischen dem Mars und dem Jupiter auf kepplerschen Bahnen um die Sonne. Man nimmt an, dass es sich dabei um die Überreste eines ehemaligen Planeten handelt.




Kometen

Im Gegensatz zu Asteroiden und Meteoriden bestehen Kometen praktisch nur aus extrem hartem Eis - auf  und in dem sich Staub und kleine Gesteinsbrocken befinden.
Sofern sie der Sonne näher kommen verdampft ein Teil des Eises und bildet den oft von der Erde aus mit bloßem Auge sichbaren langen und leuchtenden Schweif .




Erdumlaufbahn, Keplersche Gesetze, Exzentrizität

Erdumlaufbahn
Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist eine Ellipse. Aber diese Ellipse weicht nur wenig von einer Kreisbahn ab, da die kleine Halbachse nur um rund 40.000 km kleiner ist als die große Hauptachse, die eine mittlere Länge von rund 150.000.000 km besitzt.In der Abbildung sind die größte und kleinste Entfernung der Erde vom Sonnenmittelpunkt schematisch dargestellt.




Brauner Zwerg

Unter einem "Braunen Zwerg versteht man ein sehr massenreiches astronomisches Objekt, das aufgrund seiner Masse aber noch keine "richtige" Sonne ist, aber auch kein Planet mehr. Mittlerweile gelten sie neben den Sternen und Planeten als eine  eigene Objektklasse.  Ihr Name stammt übrigens daher, dass sie in der Systematik der Leuchtkraft von heißen Sternen = blau, weniger heißen Sternen = rot als sehr wenig hell leuchtend = braun eingegliedert wurden. Es sei erwähnt, dass ca. 10% der Objekte  - nicht der Masse -  in unserer Milchstraße Braune Zwerge sind.




Cern-Experiment, Higgs-Teilchen

Im Forschungszentrum CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) in der Schweiz finden seit einiger Zeit an dem so genannten LHC sensationelle Experimente stattfi, die unter anderem Einblicke in Zustände geben sollen, die am Beginn unseres Universums - also einer extrem kurze Zeit nach dem Urknall - vorherrschten. Außerdem sucht man nach dem Higgs-Teilchen und nach der so genannten Supersymmetrie (Susy). Am 4. Juli 2012 wurde von CERN bekanntgegeben, dass das Higgs-Teilchen gefunden wurde. Näheres zu diesem Teilchen weiter unter.
Weiterhin sollen kleinste "Schwarze Löcher" erzeugt und deren Verhalten erforscht werden.
Obwohl am 10. September 2008 mit den ersten Experimenten am Beschleuniger selbst begonnen wurde, sollten die eigentlichen Experimente erst einige Wochen danach stattfinden. Aber wegen eines schwerwiegenden Fehlers am Kühlsystem der supraleitenden Magneten musste die Maschine abgeschaltet werden. Erst am Freitag, den 20. November 2009 konnte die Maschine wieder in Betrieb genonnem werden.

 




Entfernungen der Astronomie

In der Astronomie werden Entfernungen meist nicht in Metern (m) oder Kilometern (km), wie ansonsten üblich, angegeben, sondern in: Astronomische Einheit (AE), Parsec oder Lichtjahr.
Der Grund dafür sind die teilweise riesigen Entfernungen, in denen sich andere Sonnen, Galaxien oder andere Objekte befinden. Daher wären die Zahlen bei Angaben in m oder km viel zu groß und unhandlich.

 




Galaxien

Unser All besteht etwa seit rund 13,8 Milliarden Jahren und ist bei dem so genannten Urknall - entstanden. Nur ca. 5% der Materie des Alls besteht aus bekannter Materie bzw. Strahlung. Der Rest setzt sich aus ca. 68% "dunkler Energie" und 27% "dunkler Materie" zusammen. Bis heute weiß man nicht genau, woraus die dunkle Energie und dunkle Materie eigentlich besteht. Die dunkle Energie wirkt der Schwerkraft entgegen, sodass sich das All mit zunehmender Geschwindigkeit immer weiter ausdehnt - wahrscheinlich bis zu einem big rip, dem großen Riss
Unter einer Galaxie versteht man die "riesigen" Ansammlungen von Sternen, Gasnebeln und Staubwolken. Die Galaxie, in der sich unser Sonnensystem befindet ist die Milchstraße.




Gammastrahlenblitz, Gammablitze

Gammastrahlenblitze - kurz Gammablitze (Gamma Ray Bursts) - sind  Energieausbrüche im Universum von relativ kurzer Dauer und von riesigen Ausmaßen, bei denen große Mengen an Gammastrahlung und Röntgenstrahlung freigesetzt wird. Ihre Dauer reicht von Sekunden und Bruchteilen davon bis zu einigen Minuten. Derartige Gammastrahlenblitze sind die energiereichsten Ereignisse im Kosmos überhaupt. Jeden Tag kann im Mittel auf der Erde ein derartiges Ereignis gemessen werden - meist aus riesigen Entfernungen und daher hier nur mit einer extrem geringen Energie bzw. Intensität.




Geschichte der Raumfahrt

Eines der bisher spektakulärsten Ereignisse der Raumfahrt fand am 21. Juli 1969 - und zwar um 03:56 MEZ (Mittel Europäische Zeit) statt.
Zu diesem Zeitpunkt betrat der US-amerikanische Astronaut Neil A. Armstrong 1930-2012) als erster Mensch den Mond.

 




Gravitation, Kraft, Newton

Unter der Gravitation bzw. der Gravitationskraft versteht man die gegenseitige Anziehungskraft von Massen, wobei größere Massen eine größere Gravitationskraft besitzen als kleinere. Dementsprechend ziehen sich auch Gestirne wie die Sonne, die Planeten oder die Monde untereinander an und üben diese Kraft auch auf andere Körper aus, die sich in ihrem Einflussbereich befinden. Diese Anziehungskraft ist völlig unabhängig von elektrischen, magnetischen oder sonstigen Kräften. Bei sehr großen Massen wie in der Astrophysik des Alls ist sie die entscheidende Kraft, die z.B. zur Entstehung von Sonnen und Planten führt.




Gravitationswellen, Schwerkraftwellen

Der klassischen Physik zufolge können sich nur Materie und elektromagnetische Wellen im "leeren" Weltraum ausbreiten. Diese Wellen sind z.B. Funkwellen, Wärmestrahlung, Licht, UV-Strahlung oder Röntgen- und Gammastrahlung.
Aber nach Einstein`s "Allgemeiner Relativitätstheorie" von 1915 bildet der Weltraum ein so genanntes Raumzeit- Kontinuum, das durch die Anwesenheit von Massen (z.B. Gestirne) verändert wird - es entsteht dort eine Art Delle.

Sofern aber sich Massen bewegen, z.B. schwingen oder um sich selbst oder eine andere Masse rotieren und sich damit derartige Dellen zeitlich verändern, entstehen Gravitationswellen - eine Art von Vibrationen - die sich im Raum ausbreiten können.
Die Gravitationswellen werden auch als Schwerkraftwellen bezeichnet. Diese Wellen bewegen sich, wie die elektromagnetischen Wellen, mit Lichtgeschwindigkeit im Raum fort.
Diese seinerzeit rein theoretischen Erkenntnisse von Einstein stammen bereits aus dem Jahr 1916.




Kleine Historie der Astronomie

Die Sterne am nächtlichen Himmel, die Sonne am Tag als Lebensspender und der ständig seine Form ändernde Mond faszinierte und beschäftigte die Menschen von Anfang an. Aber sie wurden oft auch durch Himmelserscheinungen wie Sonnen- oder Mondfinsternisse zutiefst geängstigt. Diese galten oft als Vorboten kommenden Unheils.

 




NASA und ESA

Die NASA (National Aeronautics and Space Administration) ist eine zivile Behörde der USA für die Luft- und Raumfahrt. Die NASA war und ist federführend bei nahezu allen Projekten, die in irgendeiner Weise mit der Raumfahrt zu tun haben.
Die ESA (European Space Agency) ist die Raumfahrtbehörde Europas und das Gegenstück zur NASA der USA.

 




Sonnenfinsternis

Unter einer Sonnenfinsternis versteht man die Himmelserscheinung, bei der die Erde durch den Schatten des Mondes wandert, so dass die Sonne durch den Mond ganz oder teilweise verdeckt und damit verdunkelt wird. Je nachdem, ob die Sonne vollständig oder nur teilweise abgedeckt wird, unterscheidet man eine totale Sonnenfinsternis, eine partielle Sonnenfinsternis sowie eine ringförmige Sonnenfinsternis.




Sternschnuppen

Sternschnuppen sind kleinste kosmische Körper in der Größe unter einem Millimeter bis zu einigen Zentimetern, die in der Atmosphäre der Erde -  für einen  Beobachter auf der Erde sichtbar - am Himmel verglühen. Sie gehören zu den Meteoroiden.

 




Sonnenhöchststände

Immer wieder fragen sich Menschen, die z.B. in die Nähe der Polarkreise oder von der Nordhalbkugel in Länder auf der Südhalbkugel reisen, wieso die Sonne nicht untergeht, nicht über den Horizont kommt oder plötzlich mittags im Norden steht. Weiterhin interessiert es viele Menschen, wie hoch die Sonne in einem bestimmten Land z.B. im Hochsommer oder im Winter zur Mittagszeit maximal stehen kann. Derartige Fragen sollen im Folgenden beantwortet werden.




Urknall

Den Beginn des Alls vor rund 13,8 Milliarden Jahren - und damit unserer heutigen materiellen Welt darf man sich nicht als eine Art Explosion in einem bereits bestehenden Raum vorgestellen. Der derzeitigen Vorstellung nach gab es vor dem Urknall weder Raum, Zeit noch Materie. All das wurde im Moment des Urknalls, gleichsam als Schöpfungsakt, neu geschaffen. Die Materie bzw. Energie entstand daher nach heutiger Auffassung aus dem "Nichts".
Die Frage nach der Entstehung des Alls hat damit die gleiche philosophische, religiöse und weltanschauliche Brisanz wie die Frage nach der Entstehung und dem Sinn des Lebens bzw. nach der Existenz von Gott.




Venustransit

Allgemeines
Von den acht Planeten befinden sich der Merkur und die Venus auf Bahnen um die Sonne, die näher an der Sonne näher liegen als die Erdbahn. Man nennt sie daher die "Inneren Planeten". Dagegen verlaufen die Bahnen von Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun weiter von der Sonne entfernt als die Erdbahn. Daher werden sie auch als "Äußere Planeten" bezeichnet. Es ist deswegen unmittelbar einsichtig, dass sich nur die beiden "Inneren Planeten" zwischen die Erde und die Sonne schieben können.




Jahr, Jahreszeiten, Schaltjahr

Unter einem Jahr versteht man die Zeit, die die Erde benötigt, um auf ihrer Bahn um die Sonne von einem bestimmten Ort aus wieder wieder genau dorthin zu gelangen. Aufgrund dieses Umlaufs um die Sonne gibt es auf der Erde vier Jahreszeiten.
Von den Jahreszeiten ist stets der Sommer die längste Jahreszeit, da mit dem Juli und August  zwei aufeinander folgende Monate 31 Tage besitzen. Das ist zwar auch im Dezember und Januar der Fall, was aber durch den Februar mit 28 Tagen - alle 4 Jahre 29 Tage - nicht  wettgemacht wird.




Monat

Die Ursprünge für die Einteilung des Jahres in 12 Monate liegen in Babylon, wo man vor ca. 3.500 Jahren begonnen hatte, den Himmel in 12 Sektoren einzuteilen und und in den einzelnen Sektoren begann, die hellsten Sterne zu Sternenbildern zusammen zu fassen. Diese Sternenbilder waren und sind bekanntlich eng mit den Jahreszeiten und den 12 Monaten verbunden.

 




Tag, Stunde, Minute und Sekunde

Tag
Der Tag ist eine Maßeinheit der Zeit. Das Einheitenzeichen des Tages ist ein kleines "d" - vom lat. Wort dies. Nach dem Internationelen Einheitensystem (SI-System) ist ein Tag die Zeitspanne von 84.000 Sekunden. 
Aber es gibt leider nicht einfach den Tag, sondern eine ganze Reihe verschiedener Arten von Tagen:




Zeitumstellung

Die GMT (Greenwich Mean Time) ist die Uhrzeit z.B. in Großbritannien und gilt exakt am Nullmeridian (000°) in Greenwich bei London. Diese Uhrzeit ist die gesetzliche Uhrzeit zwischen dem 7,5. westlichen Längengrad (007° 30` W) und dem 7,5. östlichen Längengrad (007° 30` O)
Da im Prinzip jeder Längengrad seine eigene Uhrzeit besitzt, wurden jeweils 15 Längengrade zu einer Uhrzeit zusammengefasst, wobei davon abgewichen wird, um in einem Land nicht mehrere Uhrzeiten zu haben.Auch in Europa gilt die Einteilung nicht genau.

Die Mitteleuropäische Zeit (MEZ) gilt exakt am 15. östlichen Längengrad. Sie ist die gestzliche Zeit zwischen dem  7,5. östlichen Längengrad und dem 22,5. östlichen Längengrad. (022° 30`O) usw.
Das führt dann zwischen den verschiedenen Ländern in der Regel zu ganzzahligen Zeitunterschieden. So beträgt beispielsweise der Zeitunterschied zwischen Berlin (MEZ) und Lima in Peru 7 Stunden und der zu NEW York Sunden.
Allerdings gibt es davon Ausnahmen, so z.B. in Indien, was zu Zeitunterschieden von Stunden und halben Stunden führt. So beträgt der Zeitunterschied zwischen Berlin (MEZ) und Neu Dehli beispielsweise 4,5 Stunden (4 h 30 Min.)
Das wiederum gilt nicht für große Länder, wie z.B. Russland, das über 11 verschiedene Zeitzohnen verfügt.
 




Weißer Zwerg

Unter einem "Weißen Zwerg" versteht man den Zustand einer Sonne (Sterns), nachdem die Menge des für die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium erforderlichen Wasserstoffs aufgebraucht wurde. Danach entwickelt sich eine Sonne mit einer Masse unserer Sonne und größer - so wie vorher beschrieben - zu einem Roten Riesen. Aber bei Sonnen mit einer Masse, die unter dem etwa 1,4 fachen unserer Sonne liegt, erfolgt eine andere Entwicklung als bei massereicheren Sonnen. In diesem Fall "verliert" der Rote Riese explosionsartig seine äußere Hülle, sodass eine Art Kern - mit etwa 60% der ursprünglichen Masse - übrigbleibt, der Temperaturen bis zu ca. 100.000° C besitzen kann. Diese Temperaturen lassen den Stern als weiß erscheinen. Der Durchmesser dieses Reststerns beträgt bis zu ca. 10.000 km, er ist also etwa so groß wie die Erde. In ihrem Kern bestehen diese weißen Zwerge vor allem aus Sauerstoff und Kohlenstoff. Die Dichte dieses "Sterns" ist mit rund 1.000 kg = 1.000.000 g pro Kubikzentimeter sehr hoch - ein Kubikmeter Masse eines derartigen Sterns hat damit eine Masse von 109 kg = 1 Milliarde kg. Zum Vergleich bestzt ein Kubikzentimeter Wasser eine Masse von rund 1g und ein Kubikmeter eine Masse von rund 1.000 kg.

Man schätzt die Anzahl der weißen Zwerge in unserem Sonnensystem auf etwa 10 Milliarden, was ca. 10% aller Sterne in unserer Milchstraße ausmachen würde. Da in einem weißen Zwerg kaum noch Energie nachgeliefert wird, wird er als schwarzer Zwerg enden. Aufgrund des Alters des Alls gibt es jedoch noch keine schwarzen Zwerge. Bereits im Alter von 19 Jahren berechnete der indischstämmige US-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) die Grenzmasse von 1,4 Sonnenmassen für die Entstehung eines weißen Zwergs. Im Jahr 1983 erhielt er den Nobelpreis für Physik. Als Weißer Zwerg wird z.B. unsere Sonne enden, während für die Entstehung eines stellaren Schwarzen Lochs eine Masse erforderlich ist, die etwa das 8- bis 10-fache der Masse unserer Sonne beträgt. Unsere Sonne besitzt derzeit ein Alter von ca. 5 Milliarden Jahren und wird nach weiteren 5 Milliarden Jahren - also nach insgesamt 10 Milliarden Jahren - zu einem weißen Zwerg. Es sei erwähnt, dass die "Lebensdauer" eines Sterns (Sonne) stark mit dem Alter abnimmt. So lebt eine Sonne mit dem Fünffachen der Masse unserer Sonne nur 200 Millionen Jahre und ein Stern mit dem 20fachen der Masse unserer Sonne nur noch 10 Millionen Jahren - was in kosmischen Dimensionen extrem kurz ist. Aber eine Sonne mit der Hälfte der Sonnenmasse würde dagegen 50 Milliarden Jahre "leben" - das Alter des gesamten Alls dagegen beträgt "nur" 13 Milliarden Jahre.




Supernova

Eine Supernova ist das explosionsartig auftretende extrem helle Aufleuchten eines Sterns am Ende seines "Lebens"
Der Stern kann im Zustand einer Supernova bis zum Milliardenfachen heller leuchten als vorher und dabei innerhalb von Wochen so viel Energie verlieren wie unsere Sonne innerhalb von bis zu 100 Mio. Jahren.

Im Prinzip entwickelt sich eine Supernova aus einem Roten Riesen, dessen Inneres aufgrund des am Ende des Fusionsprozesses entandenen Kerns eine so große Schwerkraft besitzt, dass die Hülle des Roten Riesen mit Überschallgeschwindigkeit  in das Zentrum "fällt"!  Die dabei freiwerdenden Energien führen zur Zerstörung des Sterns, der seine Energie explosionsartig verliert und damit zur Supernova wird. Am Ende bleibt - in Abhängigkeit von der Sternenmasse - ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch übrig. 

Übrigens wurde die letzte Supernova - mit der Helligkeit von etwa der Venus - in unserer Milchstraße im Jahr 1604 durch Johannes Keppler beobachtet. Der erste Bericht  in unserem Kulturkreis über eine Supernova stammt von Tycho de Brahe, der am 11.11. 1572 eine "stella nova" (neuer Stern) im Sternbild der Kassiopeia entdeckte und beschrieb. Es sei erwähnt, dass u.a. chinesische Astronomen und die Indianer in Amerika bereits im Jahr 1054 eine derartige Erscheinung im Sternbild des Stiers beschrieben hatten. Erstaunlicherweise gibt es in Europa keinerlei Hinweise darauf. Der Grund liegt wahrscheinlich in religiösen Überzeugungen, denen zufolge es nicht sein konnte, dass ein neuer Stern entstehen konnte. Und was nicht sein darf - nicht sein kann. Interessanterweise sah man nicht die Entstehung eines neuen Sterns, sondern deren Untergang.
Im Prinzip lassen sich zwei Arten der Entstehung einer Supernova unterscheiden:

Typ 1
Beim Typ 1 der Entstehung einer Supernova mit Sternenmassen unter dem achtfachen unserer Sonnenmasse reicht die Energie eines einzelnen Sterns nicht zur Entstehung einer Supernova aus. In diesem Fall umkreisen sich ein Roter Riese und ein Weißer Zwerg in einem relativ geringen Abstand - sie bilden also ein Doppelstern-System. Dabei erhält der Weiße Zwerg von seinem Begleiter neues Kernfusions-Brennmaterial. Ab einer bestimmten Menge des Brennmaterials können im Inneren des Weißen Zwergs so energiereiche Fusionsprozesse beginnen, dass  der Stern als Supernova explodiert. Der "übriggebliebene" Rote Riese wird bei der Explosion der Supernova nicht zerstört.

Typ 2
Der Typ 2 entspricht der oben vorgestellten Entwickling eines einzelnen Roten Riesen.




Quasare

Der Begriff Quasare ist die Abkürzung von "Quasistellar Radio Source".
Unter Quasaren versteht man sehr weit entfernte Galaxien mit einem extrem energiereichen Zentrum. 
Dieses Zentrum besteht aus einem schwarzen Loch, in das ständig Materie aufgesogen wird. Dabei "fällt" die Materie aus Gründen des Drehimpulserhaltungssatzes nicht direkt in das schwarze Loch, sondern es bildet sich vorher eine so genannte Akkretionsscheibe, in der sich die dort befindliche Materie durch Reibung extrem aufheizt, damit ihren Drehimpuls verändert und dann erst in das schwarze Loch hineinstürzt. Die von der Akkretionsscheibe abgestrahlte Energie ist die typische Strahlung eines Quasars.
Bisher wurden mehrere tausend verschiedene Quasare entdeckt. Der bisher am weitest entfernte festgestellte Quasar befindet sich in einer Entfernung von rund 13 Milliarden Lichtjahren. Damit gehören die Quasare zu den am weitesten entfernten Objekten, die von dem Menschen überhaupt gesehen wurden. Auffallend ist, dass sich Quasare oft in Gruppen finden lassen
Die Entdeckung der Quasare ist u.a. mit dem Namen Cyril Hazard und Maarten Schmidt verknüpft. Der erste Quasar wurde Anfang der Sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts entdeckt. Er wurde als 3C273 bezeichnet und befindet sich in einer Entfernung von rund 2 Milliarden Lichtjahre im Sternbild der Jungfrau.




Roter Riese

Unter einem "Roten Riesen" versteht man den Zustand einer Sonne, nachdem die Menge des für die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium erforderlichen Wasserstoffs allmählich aufgebraucht - d.h. in andere Elemente
wie zunächst überwiegend Helium und in Strahlungs-Energie umgewandelt wurde.
Es handelt sich dabei also um einen sterbenden Stern.

Da die Temperatur im Inneren einer Sonne wegen des fehlenden bzw. verringerten Energienachschubs abnimmt und damit der nach außen gerichtete Strahlungsdruck kleiner wird, kommt es aufgrund der Schwerkraft zu einer schnellen Kontraktion dieses Sterns (Sonne), was dann wiederum zu einer erheblichen Temperaturerhöhung führt. Das wiederum hat eine schnelle Ausdehnung zur Folge und zwar bis zu mehreren hundert Radien der ursprünglichen Größe. Unsere Sonne wird in diesem Zustand damit die Erdbahn erreichen, was das Ende der Erde bedeuten wird. Dabei schleudert ein derartiges Gestirn seine äußere Gashülle explosionsartig ins All, was dann als Grundlage für die Entstehung neuer Sterne dienen kann. Nach dem endgültigen Ende aller noch vorhandenen restlichen Kernreaktionen in dem Roten Riesen geht dieser dann auf Grund der Gravitationskräfte - in Abhängigkeit von seiner Masse - in einen Neutronenstern, ein Schwarzes Loch oder einen Weißen Zwerg über.




Neutronensterne, Pulsare

Neutronensterne
Neutronensterne entstehen aus einer untergehenden Sonne, wenn deren Masse etwa das drei bis achtfache der Masse unserer Sonne beträgt. Dann entwickelt sich aus dem roten Riesen nicht  ein weißer Zwerg, sondern aufgrund der extrem hohen Gravitationskräfte kommt es - wie erklärt - zu einer Supernova, an derem Ende ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch "übrigbleibt". 
Der Durchmesser eines Neutronensterns beträgt zwischen 20 bis 30 km. Er besteht fast nur aus Neutronen mit einer Dichte von 650·1012 g pro cm3. (1012 = 1 Billion). Die Neutronen entstehen u.a. dadurch, dass sich Protonen und Elektronen zu Neutronen verbinden. 
Die Schwerkraft auf der Oberfläche eines Netronensterns ist bis zu 200 Milliarden mal stärker als auf der Erdoberfläche, während sein Magnetfeld das etwa 1012-fache des Erdmagnetfelds (30 bis 60 μTesla = 30 bis 60·10-6) beträgt: 
60·10-6·1012 = 60·106, also 60 Millionen Tesla.

Zum Vergleich:

Ein MRT (Kernspintomograf) in der Medizin besitzt in der Regel ein Magnetfeld von 1-3 Tesla

Pulsare

Unter einem Pulsar versteht man schnell rotierende Neutronensterne, wobei sie in der Regel mehrfach pro Sekunde rotieren. Die größte bislang festgestellte Rotationsfrequenz beträgt 716 Umdrehungen pro Sekunde. Es ist der Pulsar PSR J1748-2446ad.
Aufgrund der dadurch entstehenden Zentrifugalkräfte liegt die maximal mögliche Umdrehungsfrequenz bei ca 1.000 Umdrehungen pro Sekunden. Höhere Umdrehungsfrequenzen würden das Gestirn auseinanderreißen.
Von den theoretischen Physikern wurden Neutronensterne bereits ein Jahr nach der Entdeckung des Neutrons (1933) durch James Chadwick (1891-1974) vorausgesagt. Chadwick erhielt übrigens im Jahr 1935 den Nobelpreis für Physik.  Aber erst im Sommer 1967 wurde der erste Neutronenstern dann von den beiden Cambridger Astronomen Anthony Hewish und Jocelyn Bell aufgrund ihrer gepulsten Strahlung im Radiowellenbereich entdeckt.
Da das Gravitationsfeld an der Oberfläche eines Neutronensterns - wie erwähnt - bis zu 200 Milliarden mal stärker als das auf der Erde ist, folgt damit für die Geschwindigkeit, die eine Masse besitzen muss, um das Gravitationsfeld eines Neutronensterns zu verlassen, die rund 1 Drittel der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Zum Vergleich sei erwähnt, dass die Fluchtgeschwindigkeit bei einem Schwarzen Loch größer als die Lichtgeschwindigkeit sein müsste. Da das nicht möglich ist, kann keine Masse und auch kein Licht ein Schwarzes Loch verlassen.

Aufgrund ihrer sehr schnellen Eigenrotation und des hohen Magnetfelds strahlen Neutronensterne charakteristische pulsierende Strahlung im Radiowellenlängenbereich ab. Der Energieverlust für den Neutronenstern durch die abgestrahlte Strahlung kann bis etwa 1025 MW (Megawatt) betragen. Die in einem schmalen Kegel abgestrahlten Radiowellen können auf der Erde immer dann beobachtet und gemessen werden, sofern die Erde diesen Strahlenkegel durchläuft.




Schwarze Löcher

Woher stammt der Begriff "Schwarzes Loch"?
Im Jahr 1967 hielt der US-amerikanische Physiker John Archibald Wheeler (1911-2008) in New York einen stark beachteten Vortrag. Er verkündete u.a., dass es nach den Einsteinschen Gleichungen möglich sei, dass ein "sterbender" Stern auf ein winziges Volumen mit einer riesigen Massendichte schrumpfen könnte. Aufgrund eines Zwischenrufs aus dem Auditorium führte er den Begriff "Schwarzes Loch" in die wissenschaftliche und öffentliche Diskussion ein. Wheeler war auch mit Einstein bekannt und u.a. mit an dem Manhattan-Projekt zum Bau der Atombombe beteiligt. Er verstarb am 13. April 2008 in New Jersey/USA.

Entstehung, Verhalten
Unter einem Schwarzen Loch versteht man - wie bereits erwähnt - ein Gestirn, dessen Massendichte und damit seine Gravitation so groß ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Daher kann nicht einmal Licht dieses Gestirn verlassen.
In diesem Zusammenhang spielt der Begriff des Schwarzschild-Radius eine wichtige Rolle. Unter dem Schwarzschild-Radius versteht man den Radius eines Objekts (Gestirns), den er erreichen muss, damit auf seiner Oberffläche die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit wird. Die Fluchtgeschwindigkeit beispielsweise der Erde - also die Geschwindigkeit, die ein Körper auf der Erdoberfläche besitzen muss, um das Schwerefeld der Erde zu verlassen -beträgt 11,186 km/s. Der Schwarzschildradius der Erde beträgt ca. 0,9 cm und der von der Sonne rund 2,952 km. Sofern die Sonne bzw. die Erde auf diese Größe "kollabieren" würden, wären sie schwarze Löcher. 

Schwarze Löcher selber sind unsichtbar, daher rührt auch sein Name. Schwarze Löcher können daher auch nicht direkt beobachtet werden. Ihre Existenz lässt sich nur über Auswirkungen auf ihre Umgebung nachweisen. So strahlt Materie, die sich auf dem Weg in ein Schwarzes Loch befindet, neben sichtbaren Licht u.a. auch extrem starke Röntgenstrahlung ab. Außerdem beeinflussen sie das Verhalten anderer Gestirne in ihrer Umgebung. So kann man aus der Rotationsgeschwindigkeit von Sternen in verschiedenen Abständen z.B. auf die Existnz einer extrem großen Masse schließen.
Allerdings sollen Schwarze Löcher über die - nach dem englischen Astrophysiker Stephen William Hawking genannte - Hawking-Strahlung zerstrahlen. Diese Strahlung ist jedoch so gering, dass sie im Hintergrundrauschen der vom Urknall herrührenden Hintergrund-Strahlung des Alls verschwindet. Die Zeit, nach der ein Schwarzes Loch zerstrahlt sein würde, liegt nach Schätzungen bei der nicht mehr vorstellbaren Zeit von ca. 1080 Jahren - das ganze All dagegen ist rund 1,3·1010 Jahre alt. Diese extrem lange Zerfallszeit rührt daher, dass die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs mit der dritten Potenz seiner Masse ansteigt. 
Sehr viel kürzer wäre allerdings die Lebensdauer von kleinsten Schwarzen Löchern, die z.B. bei Experimenten im CERN-Beschleuniger entstehen könnten. Ihre Lebensdauer läge infolge des Zerfalls über die Hawking-Strahlung im Bereich von 10-26 Sekunden, also 1 dividiert durch eine 1 mit 26 Nullen. Aber die Theorie der Hawking-Strahlung konnte bisher nicht experimentell nachgewiesen werden. Neueste Erkenntnisse deuten darauf hin, dassSchwarze Löcher mit Milliarden von Sonnenmassen bereits eine Milliarde nach dem Urknall existierten, was bisher große Rätsel aufgibt.
Man unterscheidet stellare Schwarze Löcher und super-massenreiche Schwarze Löcher.

Stellare
Schwarze Löcher
Die stellaren Schwarzen Löcher sind das wahrscheinliche Ende einer Sonne, die als Supernova explodiert war, während der übrig gebliebene Rest dann zu einem Schwarzen Loch kollabiert ist. Das aber geschieht nur bei Sternen, die eine Masse von mehr als dem 8- bis 10-fachen unserer Sonne besitzen. Unsere Sonne wird wohl, wie bereits erwähnt, aufgrund ihrer Masse als "Weißer Zwerg" enden.

Super-massenreiche
Schwarze Löcher
Die super-massenreichen Schwarzen Löcher dagegen besitzen Massen, die das Millionen- bis Milliardenfache der stellaren Schwarzen Löcher besitzen können. Sie befinden sich in den Zentren von Galaxien. Ihre Entstehung und Entwicklung ist bisher noch nicht ausreichend geklärt.
Ein Schwarzes Loch befindet sich im Zentrum des Andromeda-Nebels, einer rund 2,5 Mio. Lichtjahre entfernten Galaxie. Dieses Schwarze Loch besitzt eine Masse von ca.140 Mio. Sonnenmassen. Um dieses Loch kreist in einer Entfernung von nur etwa 1 Lichtjahr eine Scheibe bestehend aus jungen, heißen blauen Sternen. Nach dem derzeitigen Wissensstand dürften sie dort gar nicht sein, da die Gravitationskräfte des Schwarzen Lochs sie an sich längst zerrissen haben müssten. Derzeit gibt es dafür noch keine hinreichende Erklärung für das Phänomen. Eine Senstion war die Entdeckung eines Schwarzen Lochs in der Galaxie mit der Bezeichnung NGC 1277, das eine Masse von 17 Milliarden Sonnenmassen besitzt. Mittlerweile wurden sogar Schwarze Löcher mit bis zu 40 Milliarden Sonnenmassen entdeckt.

Aktive und inaktive Schwarze Löcher
Ein aktives Schwarzes Loch "saugt" aufgrund seiner Schwerkraft ständig Materie aus seiner Umgebung auf. Dabei "fällt" die Materie aus Gründen des Drehimpuls-Erhaltungssatzes nicht direkt in das schwarze Loch hinein, sondern es bildet sich vorher eine so genannte Akkretionsscheibe, in der sich die dort befindliche Materie durch Reibung extrem aufheizt, dabei ihren Drehimpuls verändert und dann erst in das schwarze Loch hineinstürzt.  Diese extrem energiereiche Scheibe lässt sich als leuchtende Scheibe beobachten.
Sofern ein Schwarzes Loch jedoch alle oder den größten Teil der in seiner Nähe befindlichen Materie aufgesaugt hat und die andere Materie - wie Sterne - sich auf stabilen Bahnen um das Schwarze Loch bewegen, wird es als inaktiv bezeichnet. Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße ist - wie oben bereits unter der "Milchstraße" dargestellt - ein Beispiel für ein wahrscheinlich inaktives Schwarzes Loch.

Schwarze Löcher in der Milchstraße

Das  Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße besitzt eine Masse von rund 20 Mio. Sonnenmassen. Daneben gibt es wahrscheinlich weitere Schwarze Löcher in der Milchstraße.

Hinweis

Sofern Objekte einem Schwarzen Loch zu nahe kommen, so werden sie die extrem große Gravitation nicht nur eingefangen sonern auch stark verformt.
Man bezeichnet dies als "Spaghettisierung. Der Begriff wurde 1988 von Stephen Hawking (geb.) in seinem Buch "A Brief History of Time" (Eine kurze Geschichte der Zeit) geprägt.
Dieser Effekt rührt daher, dass auf der dem Schwarzen Loch näherenSeite des Objekts stärkere Grvitationskräfte wirken als auf der weiter entfernten. Dadurch werden Objekte in die Länge gezogen und auseinandergerissen.
Je nähe sich Objekte dem Schwarzen Loch nähern, desto stärker macht sich der Effekt bemerkbar.