Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

186 KAPITEL 3. KERNPHYSIK: ALTERSBESTIMMUNG
Die Umkehrung des Kernzerfalls ist die Kernfusion. Dies führt auf die Möglichkeit, die Alter der
Sterne anhand berechneter Sternentwicklungszeiten, die durch ihre Position im Hertzsprung-Russel-
Diagramm abgelesen werden können, zu bestimmen. Ein Stern wie die Sonne benötigt etwa 10 Gyr
zum Kernbrennen (auf der Hauptreihe), die massivsten Sterne dagegen nur wenige Myr.
Neben der Bildung (der Protosterne, heute vornehmlich in Molekülwolken) und der Entwicklung der
Sterne (nachdem sie ihre Mutterwolke verlassen haben) kann man ihre Kinematik bzw. Dynamik heranziehen,
dynamische Alter zu bestimmen. Für junge Objekte ist ihre Entfernung von der galaktischen
Ebene ein Maß für das Alter (bei bekannter Eigengeschwindigkeit).
Weiße Zwerge, die ihr Kernbrennen beendet haben, können nur noch abkühlen. Hier kann die Temperatur
des Sterns als Altersindikator benutzt werden (da spezifische Wärme und Temperaturleitfähigkeit
berechnet werden können). Eine vollkommen neue Methode beruht auf der Möglichkeit, das Alter bestimmter
Millisekunden Pulsare aus ihrem Abbrems- bzw. Akkretionsverhalten direkt zu bestimmen,
insbesondere wenn sie Begleiter bekannten Alters besitzen.
3.2 Problembestimmung
Neben den Fragen, wie groß (Länge) und wie schwer (Masse) das Universum ist und woraus es besteht,
ist die zentrale Frage: wie alt ist der Kosmos. Die tiefer liegende Frage, was Zeit ist, kann damit
natürlich nicht beantwortet werden. Raum und Zeit sind empirische Gegebenheiten.
• ANMERKUNG (DIE DEFINITION VON ZEIT IM KOSMOS)
Für Newton waren Raum (drei dimensional, Euklidisch) und Zeit (eindimensional) absolut. Der Eimerversuch zeigt dies:
beschleunigte Bewegung (in diesem Fall die Rotation des Eimers und die aus der Rotation folgende Krümmung seiner
Oberfläche) ist relativ zu den Fixsternen (Mach) zu definieren. Eine Uhr wird durch die Rotation der Erde (oder durch ein
Pendel) realisiert.
Für den pragmatischen Physiker mag die Entdeckung des Atoms (mit seinem Kern) oder die Expansion des Universums
(mit seinem Urknall) die bedeutendste Leistung des 20ten Jahrhunderts sein. Für den Philosophen ist dies jedoch die
Vereinigung von Raum und Zeit zur vier dimensionalen Raumzeit. Diese selbst folgt notwendig, wie Einstein gezeigt hat,
aus dem Kausalitätsprinzip.
Allerdings gilt auch hier: Erst ein mit Energie und Materie angefüllter Raum (Kosmos) liefert ein natürliches Bezugsystem.
Und zwar dasjenige System, in dem die Materie im Mittel ruht. Zeit ist dann das, was von mitbewegten Beobachtern mit
Atomuhren gemessen wird; d. h. gleich-zeitig und gleich-ortig bezieht sich auf dieses Bezugsystem. Wie eine Atomuhr sich
in einer solchen Raumzeit verhält, kann mithilfe der Dirac Gleichung (über das Kovarianzprinzip) beschrieben werden.
Das Universum selbst kann dabei zyklisch oder zeitgerichtet sein. Es kann mit und ohne Anfang, singulär oder regulär
sein. Diese Anschauungen haben ihre Entsprechung in Religion und Mythos. Etwa in der christlichen Religion, wo es eine
Entwicklung vom Guten (Paradies) zum Bösen (Apokalypse) gibt. Im Buddhismus ist das Universum (und das Leben)
zyklisch.
Bei der wissenschaftlich fundierten Beantwortung dieser Frage spielt die Kernphysik die entscheidende
Rolle. Sie (die Kernphysik) wird benötigt zur Beschreibung der Fusionsprozesse im Innern von Sternen
und zur Bestimmung der radioaktiven Zerfallszeiten der dort erzeugten Elemente. Da bereits im frühen
Kosmos die leichtesten Elemente erzeugt wurden, geht die Kernphysik auch hier direkt ein (Helium
Häufigkeit).
Von den mehr als 1000 bekannten Atomkernen (die genaue Zahl wächst langsam aber stetig aufgrund
künstlich erzeugter Kerne) sind 268 Kerne stabil. Die restlichen Kerne zerfallen, manchmal in einer
ganzen Kette von weiteren radioaktiven Elementen. Unter den natürlichen ∗ Atomkernen spielt Technetium,
(Z = 43), eine besondere Rolle (in Bezug auf die Kernkräfte): es besitzt überhaupt kein stabiles
Isotop, kann also nur künstlich erzeugt werden (daher der Name).
∗ Zur Bezeichnung:
natürlich = auf der Erde vorkommend; künstlich = nur im Labor durch Kernreaktionen herstellbar.