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Pauli-Prinzip: Warum wir nicht implodieren

Im Bild sind zwei Spalten, links Bosonen, rechts Fermionen, darunter sind drei unterschiedlich große linsenförmige Farbflecken, die am Rand bläulich, nach innen hin gelblich und in der Mitte rot schimmern. Die Temperatur ist oben am höchsten und unten am niedrigsten. Oben sind die breitesten Farbflecken, unten die schmalen, wobei unten die Bosoonen-Linse viel kleiner ist als die Fermionen-Linse.

Credit und Bildrechte: Andrew Truscott und Randall Hulet (Rice U.)

Beschreibung: Warum klumpt Materie nicht? Das gleiche Prinzip, das den Kollaps von Neutronensternen und Weißen Zwergen verhindert, bewahrt auch Menschen vor der Implosion und macht gewöhnliche Materie zum fast leeren Raum.

Der Grund dafür, den man beobachten konnte, ist das paulische Ausschlussprinzip. Dieses Prinzip besagt, dass identische Fermionen – eine Art Elementarteilchen – bei gleicher Ausrichtung nicht zur selben Zeit am selben Ort sein können. Die andere Art von Materie – Bosonen – haben diese Eigenschaft nicht, wie durch in jüngster Zeit erzeugte Bose-Einstein-Kondensate gezeigt werden konnte.

Zu Beginn dieses Jahrzehnts wurde das paulische Ausschlussprinzip im Bild oben in Form von Wolken zweier Lithiumisotope graphisch dargestellt. Die linke Wolke enthält Bosonen, während die rechte Wolke aus Fermionen besteht. Wenn die Temperatur fällt, bündeln sich die Bosonen, während die Fermionen auf Distanz bleiben.

Der Grund für das paulische Ausschlussprinzip und die physikalischen Grenzen des Prinzips sind nach wie vor unbekannt.

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Geostationäre Autobahn

Mitten im Bild ist der Orionnebel, darüber die drei Gürtelsterne. Im Hintergrund sind viele Sterne verteilt. Quer über dem Orionnebel verlaufen mehrere Lichtspuren von geostationären Satelliten.

Bildcredit und Bildrechte: Babak Tafreshi (TWAN)

Beschreibung: Setzt man einen Satelliten in eine etwa 42.000 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernte kreisförmige Umlaufbahn (zirka 36.000 Kilometer über der Oberfläche), umrundet er die Erde einmal in 24 Stunden. Das der Rotationsperiode der Erde, daher wird diese Bahn als geosynchroner Orbit bezeichnet. Wenn dieser Orbit auch noch in der Ebene des Äquators liegt, steht der Satellit am Himmel über einer festen Erdposition in einem geostationären Orbit.

Wie in den 1940er Jahren von dem Visionär Arthur C. Clark vorhergesagt, werden geostationäre Umlaufbahnen kommerziell für Kommunikations- und Wettersatelliten genützt – ein inzwischen gut bekanntes Szenario für Astrofotografen. Langzeitbelichtungen des Nachthimmels, die mit Teleskopen aufgenommen werden und den Sternen folgen, erfassen auch geostationäre Satelliten weit über der Erdoberfläche, die im Sonnenlicht blinken, das hoch über der Erde noch leuchtet. Weil alles zusammen mit der Erdrotation vor dem Hintergrund der Sterne wandert, hinterlassen die Satelliten Spuren, die scheinbar auf einer Bahn über die himmlische Landschaft ziehen.

Diese Weitwinkelansicht der Orion-Region, die sich am Himmelsäquator befindet, wurde mit Einzelbildern ergänzt, um eine 10 Minuten lange Belichtungszeit zu erhalten. Sie zeigt Orions Gürtelsterne und bekannte Nebel zusammen mit vielen 2,5 Grad langen Spuren geostationärer Satelliten. Die Einzelbilder stammen von einem Film, welcher der geostationären Satellitenautobahn folgt.

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Die Raumsonde Cassini kreuzt Saturns Ringebene

Der dreiviertel beleuchtete Saturn füllt das Bild, die Wolken verlaufen waagrecht, oben sind die Schatten der Ringe, die waagrecht als dünne blaue Linie durchs Bild verlaufen. Im Ring zeichnen sich zwei Monde ab.

Credit: Cassini-Bildgebungsteam, ISS, JPL, ESA, NASA

Beschreibung: Wenn das Saturn ist, wo sind dann die Ringe? Als Saturns „Anhängsel“ im Jahr 1612 verschwanden, verstand Galileo nicht, warum. Noch im selben Jahrhundert fand man heraus, dass Saturns ungewöhnliche Vorsprünge Ringe waren, die scheinbar verschwinden, wenn die Erde die Ringebene kreuzt, weil dann die Ringe von der Kante zu sehen sind. Der Grund dafür ist, dass Saturns Ringe auf eine Ebene begrenzt sind die proportional viel dünner ist als eine Rasierklinge.

In jüngster Zeit kreuzte die Roboter-Raumsonde Cassini, die derzeit Saturn umkreist, ebenfalls Saturns Ringebene. Ende Februar suchte der interessierte spanische Amateur Fernando Garcia Navarro eine Serie von Bildern von Durchgängen der Ebene aus dem riesigen Online-Archiv von Cassinis Rohbildern.

Dieses digital beschnittene Bild wurde in charakteristischen Farben gefärbt. Saturns dünne Ringebene erscheint blau, die Bänder und Wolken in der oberen Atmosphäre leuchten golden. Da Saturn kürzlich seine Tag- und Nachtgleiche passierte, zeigt die Ringebene heute fast genau zur Sonne, daher können die Ringe keine solchen hohen, dunklen Schatten werfen, wie sie im oberen Teil des Bildes zu sehen sind, das 2005 aufgenommen wurde. Die Monde erscheinen als Beulen in den Ringen.

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Das geheimnisvolle Voynich-Manuskript

In der Mitte des Bildes ist ein Gesicht, eingerahmt von zwei mondsichelartigen Klammern. Rundherum angeordnet sind von innen nach außen ein sternartiges Gebilde, eine Anordnung von konzentrischen Spalten, in denen sich teils Sterne, teils Text befinden, und außen drei konzentrische Kreise, auf denen Text geschrieben ist. Oben sind vier Zeilen Text waagrecht angeordnet. Der Text ist jedoch nicht lesbar.

Credit: Yale-Universität; digitales Urheberrecht: B. E. Schaefer (LSU)

Beschreibung: Der historische Text hat keinen bekannten Titel, keinen bekannten Autor und ist in keiner bekannten Sprache geschrieben. Was steht darin, und warum enthält er soviele astronomische Illustrationen? Das rätselhafte Buch wurde einst von einem Kaiser gekauft, in einem Bibliotheksregal vergessen, für Tausende Dollar verkauft und später an Yale gestiftet. Der Band mit mehr als 200 Seiten wurde möglicherweise im 15. Jahrhundert geschrieben und ist derzeit als die Voynich-Handschrift bekannt, nachdem sie 1912 (wieder)entdeckt wurde. Oben ist eine Illustration aus dem Buch abgebildet, die in einem Zusammenhang mit der Sonne zu stehen scheint. Das Buch zeigt an einigen Stellen des Himmels fremdartige Sternbilder. Das Unvermögen neuzeitlicher astronomischer Geschichtforschender, den Ursprung dieser Sternbilder in Erfahrung zu bringen, verblasst vielleicht neben dem Unvermögen zeitgenössischer Codeentzifferer, den Text des Buches zu verstehen. Kann das vielseitige Gehirn vieler APOD-Lesender einen Fortschritt erzielen? Wenn ihr denkt, ihr könntet eine Idee beisteuern, nehmt bitte an einer neuen Online-Diskussion teil, statt eine E-Mail zu schicken. Das Buch selbst verbleibt in der Sammlung seltener Bücher in Yale unter der Katalognummer „MS 408“.

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Dunkle Sandrutschungen auf dem Mars

Braunrosa Dünen sind von dunklen Strukturen gesprenkelt, von den Hügelkuppen verlaufen schwarze Hangrutschungen abwärts.

Credit: HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA

Beschreibung: Sie sehen aus wie Marsbäume, aber sie sind keine. Auf schmelzenden rötlichen Sanddünen wurden vom Mars Reconnaisance Orbiter Gruppen dunkler brauner Streifen fotografiert, die mit leichtem Frost bedeckt waren. Dieses Bild wurde im April 2008 nahe dem Nordpol des Mars aufgenommen. Zu der Zeit wurde dunkler Sand aus dem Inneren der Sanddünen des Mars immer besser sichbar, als die Frühlingssonne das hellere Kohlendioxideis schmolz. Wenn das nahe dem Dünenkamm geschieht, kann dunkler Sand von der Düne herabrutschen und dabei dunkle Streifen auf der Oberfläche hinterlassen – Schlieren, die auf den ersten Blick Bäume zu sein scheinen, stehen im Vordergrund der helleren Regionen, werfen jedoch keine Schatten. Objekte mit etwa 25 Zentimetern Durchmesser sind auf diesem Bild aufgelöst, das sich über etwa einen Kilometer erstreckt. Nahaufnahmen einiger Teile dieses Bildes zeigen aufsteigende Schwaden, die vermuten lassen, dass die Sandrutschungen sogar während der Aufnahme dieses Bildes stattfanden.

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Szenen aus zwei Welten

Links steht das Sternbild Orion kopfüber über einem Strand, rechts mit dem Kopf oben über einem verschneiten Felsen.

Credit und Bildrechte: Babak Tafreshi (TWAN)

Beschreibung: Die Sterne der Sommernacht links und des Winternachthimmels rechts sind die selben. Beide Bilder wurden Ende Dezember aufgenommen und haben ähnliche Gesichtsfelder. Das linke Bild zeigt eine Szenerie an einem Strand von Bruny Island vor der Küste Tasmaniens in Australien, während das rechte Feld den Himmel über dem verschneiten Elburs-Gebirge im Norden des Iran zeigt.

Falls Ihnen der Himmel auf einer Seite immer noch ungewohnt erscheint, schieben Sie einfach den Mauspfeil über das Bild um eine andere Version zu sehen. Das zweite Bild zeigt die Umrisse des bekannten Sternbildes Orion, wie man es von der südlichen und nördlichen Hemisphäre des Planeten Erde aus sieht.

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Ein Kügelchen vom Erdmond

Die Kugel im Bild ist an vielen Stellen beschädigt, nach rechts verläuft sie undefiniert. Das Schwarz-Weiß-Bild wurde mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen.

Credit: Timothy Culler (UCB) et al., Besatzung Apollo 11, NASA

Beschreibung: Wie kommt es, dass dieses Kügelchen auf dem Mond war? Wenn ein Meteorit den Mond trifft, schmilzt die Energie des Einschlags etwas von dem zerschmetterten Stein, und ein Bruchteil davon könnte zu winzigen Glasperlen auskühlen. Viele dieser Glaskügelchen waren in Mondbodenproben zu finden, die mit den Apollo-Missionen zur Erde gebracht wurden. Oben ist ein solches Glaskügelchen mit einem Durchmesser von nur einem Viertelmillimeter abgebildet. Dieses Kügelchen ist besonders interessant, weil es Opfer eines noch kleineren Einschlags wurde. Oben links ist ein Miniaturkrater zu sehen, umgeben von einer zersplitterten Fläche, die durch die Stoßwellen des kleinen Einschlags entstand. Durch die Datierung vieler dieser Einschläge können Astronomen die Geschichte der Kraterbildung auf unserem Mond abschätzen.

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Eine Kraft aus dem leeren Raum: der Casimir-Effekt

Mitten im Bild ist eine fast perfekt glatte Kugel abgebildet. Links ist eine gezähnte Kante einer Platte, unter der Kugel sind weich wirkende Wellen mit Löchern.

Credit und Bildrechte: Umar Mohideen (U. California at Riverside)

Beschreibung: Diese winzige Kugel liefert den Hinweis, dass das Universum ewig expandieren wird. Die Kugel mit einem Durchmesser von wenig mehr als einem Zehntelmillimeter bewegt sich auf eine glatte Platte zu – als Reaktion auf Energieschwankungen im Vakuum des leeren Raumes.

Die Anziehungskraft wird als Casimir-Effekt bezeichnet. Sie ist nach ihrem Entdecker benannt, der vor 55 Jahren zu verstehen versuchte, warum sich zähe Flüssigkeiten wie Mayonnaise so langsam bewegen.

Heute gibt es Hinweise, dass ein Großteil der Energiedichte im Universum eine unbekannte Form hat, die als Dunkle Energie bezeichnet wird. Form und Entstehung der Dunklen Energie sind fast gänzlich unbekannt. Die Dunkle Energie wurde im Zusammenhang mit Vakuumfluktuation vorhergesagt, ähnlich wie der Casimir-Effekt. Dunkle Energie entsteht durch den Raum selbst.

Die gewaltige geheimnisvolle Dunkle Energie treibt anscheinend die gesamte Materie durch Gravitation auseinander. Daher dehnt sich das Universum vermutlich bis in alle Ewigkeit aus. Ein Hauptziel der Forschung ist, die Vakuumfluktuation zu verstehen, nicht nur um unser Universum besser erklären zu können, sondern auch um zu verhindern, dass mechanische Mikro-Maschinenteile aneinander kleben.

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