Wissenschaft in Jena

Damals und Heute

Planetenforschung mit dem Röntgenlaser

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Im Jahr 2014 werden Elektronen in einem 3,4 Kilometer langen Tunnel zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein herum sausen. Am Ende ihres Weges werden sie auf eine winziges Stück Aluminium treffen und es verdampfen. An den Messgeräten wird dann der Jenaer Physiker Ulf Zastrau vom Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena sitzen und probieren, mehr über fremde Planeten herauszufinden.

Elektromagnetische Felder beschleunigen die Elektronen in den supraleitenden Resonatoren (Grafik, European XFEL)

Elektromagnetische Felder beschleunigen die Elektronen in den supraleitenden Resonatoren (Grafik: European XFEL)

Denn Zastrau hat kürzlich ein Stipendium der Volkswagenstiftung erhalten das es ihm ermöglicht als einer der ersten am neuen European XFEL zu arbeiten – dem größten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser der Welt. Der wird momentan noch gebaut aber in wenigen Jahren soll der Tunnel fertig sein, der die Experimentierhalle im schleswig-holsteinischen Schenefeld mit den Instituten am Hamburger Teilchenbeschleunigerzentrum DESY verbindet. Darin werden Elektronen beschleunigt und mit dem entstehenden Freie-Elektronen-Laser werden Wissenschaftler in der Lage sein, Materialien so detailliert wie nie zuvor untersuchen zu können. Die hohen Energien des Lasers werden es erlauben, einzelne Moleküle dreidimensional abzubilden oder chemische Reaktionen direkt zu filmen. Ulf Zastrau ist aber weniger an den winzigen Molekülen interessiert sondern an den großen Planeten. Riesen wie der Planet Jupiter oder der Saturn haben keine feste Oberfläche sondern bestehen so gut wie komplett aus Gas. Die Dinge verhalten sich dort ganz anders als bei uns auf der Erde. Im Inneren der großen Planeten herrschen enorm hohe Temperaturen. Temperaturen bei denen Elemente wie Kohlenstoff oder Aluminium auf der Erde sofort verdampfen würden. In den Gasriesen ist es aber nicht nur enorm heiß, auch der Druck ist gewaltig und führt dazu, dass die Materie nicht verdampft. Wie genau sich nun die Stoffe in den Gasplaneten verhalten, wird noch erforscht. Zastrau hofft mit den Experimenten am XFEL herauszufinden, wie genau diese „warme dichte Materie“ funktioniert und mit welchen mathematischen Gleichungen man sie beschreiben kann.

Ceres

Der Zwergplanet Ceres, gesehen mit dem Hubble-Weltraumteleskop (Bild: NASA)

Eine mathematische Gleichung behandelte auch der Philosoph Georg Friedrich Wilhelm Hegel in seiner Doktorarbeit mit dem Titel „De orbitis planetarum“ die im 1801 eine Stelle als Privatdozent an der Universität Jena einbrachte. Hegel machte sich Gedanken über die „Titius-Bode-Reihe“, eine Formel, die 1766 vom Wittenberger Astronom Johan Daniel Titius aufgestellt wurde. Damit, so war man damals überzeugt, konnte man vorhersagen, wo im Sonnensystem sich Planeten befinden müssen. Die Formel war nicht nur in der Lage, die Abstände der bekannten Himmelskörper von der Sonne zu reproduzieren; sie sagte außerdem auch noch die Existenz eines weiteren, unbekannten Planeten vorher, der sich zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter befinden sollte. Die Astronomen waren so sehr von der Gültigkeit der Titius-Bode-Reihe überzeugt, dass sie unter der Leitung des Direktors der Sternwarte in Gotha – Franz Xaver von Zach – eine „Himmelspolizey“ gründeten um systematisch nach dem unbekannten Planeten zu suchen. Hegel allerdings war anderer Meinung. In seiner Doktorarbeit meinte er, ein solcher Planet wäre nicht nötig, wenn man nur die Titius-Bode-Reihe ein wenig modifizieren würde. Hegels veränderte Formel basierte auf dem Buch „Timaios“ von Plato und sagte keinen weiteren Planeten vorher. Sehr zufrieden dürfte Hegel allerdings nicht damit gewesen sein – denn ebenfalls 1801 entdeckte der italienische Astronom Guiseppe Piazzi genau dort einen Himmelskörper wo die Titius-Bode-Reihe es vorhergesagt hatte! Der neue Planet wurde „Ceres“ genannt und einige Jahrzehnte als achter Planet des Sonnensystems geführt. Erst als man entdeckte das Ceres sein klein ist und seine Bahn mit vielen anderen, ähnlichen Himmelskörpern teilt war klar, dass es sich nicht um einen Planeten handelt sondern um einen Asteroiden. Auch die Titius-Bode-Reihe wurde irgendwann zu den Akten gelegt. Die später neu entdeckten Planeten Neptun und Pluto passten absolut nicht mehr ins Schema. Ulf Zastrau hat mit seinen Gleichungen hoffentlich mehr Glück!

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Written by Florian Freistetter

1. August 2011 um 19:39

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