Astro-Lexikon B 1

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Die Balbus-Hawley-Instabilität ist eine Instabilität, die eine entscheidende Rolle in der Dynamik von schwach magnetisierten Akkretionsflüssen spielt. Sie ist ein sehr effizienter Mechanismus für den Drehimpulstransport (nach außen) und damit überhaupt der Grund, dass das Material auf das zentrale, gravitierende Objekt einfallen kann. Benannt wurde die Instabilität nach den Astrophysikern Steve Balbus und John Hawley, die sie 1991 entdeckt haben. Alternativ wird auch die Bezeichnung magnetische Rotationsinstabilität (MRI) verwendet - unter diesem Eintrag gibt es auch eine detaillierte Beschreibung der Instabilität.

Die alternative und historisch bedingte Bezeichnung für den Zero Angular Momentum Observer, den ZAMO.

Baryogenese kennzeichnet im Rahmen der Kosmologie eine Entwicklungsphase im frühen Universum, in der die baryonische Materie entstanden ist. Baryonische Materie ist der physikalische Begriff für die gewöhnliche Materie, aus der wir und unsere Umgebung bestehen, also z.B. Protonen und Neutronen.

Am Anfang von allem

Kurz nach dem Urknall befand sich das Universum in der Planck-Ära, in der kaum physikalische Aussagen gemacht werden können. Alle Kräfte waren in dieser Phase zur Urkraft vereint. Schließlich spaltete sich die Urkraft auf, als das Universum gerade mal 10^-43 Sekunden (Planck-Zeit) alt war. Ursache für diese spontane Symmetriebrechung war die Abkühlung infolge der Expansion des Universums. 'Kühl' ist kein besonders treffender Begriff: Die Urkraft zerfiel beim Unterschreiten der Planck-Temperatur von 10³² Kelvin in zwei neue Kräfte, die Gravitation und die X-Kraft. Die X-Kraft wird von den Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) prognostiziert. Diese Kraft ist assoziiert mit bestimmten äußerst schweren Austauschteilchen, den X-Bosonen und Y-Bosonen. Mit typischen Massen um 10¹⁶ GeV sind diese Teilchen sehr massereich. Ihre Existenz markiert in der Kosmologie die GUT-Ära, die sich an die Planck-Ära anschloss. Baryogenese-Ära und GUT-Ära bezeichnen also dieselbe Entwicklungsphase des Universums.

Weitere Naturkräfte betreten die kosmische Bühne

Mit der weiteren Ausdehnung des Kosmos wurde es zunehmend kälter und es ereignete sich der nächste Phasenübergang: Hierbei 'fror' die elektroschwache Kraft und die starke Kraft aus. Dieser Übergang bei etwa 2 × 10¹⁶ GeV bzw. einer Temperatur von 10²⁹ Kelvin bedeutete auch das Ende der massereichen X- und Y-Bosonen: Diese Teilchen mussten in Quarks und Leptonen zerfallen. Damit war auch die Symmetrie zwischen Quarks und Leptonen zerstört. Aus diesen Zerfällen resultierten Myriaden von Quarks, Antiquarks, Leptonen und deren Antiteilchen.

Kleines Missverhältnis, große Wirkung!

Doch lagen am Ende der Zerfälle Materie und Antimaterie nicht in gleichen Mengen vor. Es gab eine geringe Materie-Antimaterie-Asymmetrie: Auf jedes Antiteilchen kamen ein plus ein Milliardstel Teilchen. Dieses extrem geringe Missverhältnis reicht aber schon aus, um die Existenz der heute beobachtbaren 'normalen' Materie und die fast verschwindende Existenz von Antimaterie im Kosmos zu erklären. Was geschah mit den primordialen Vorräten an Materie und Antimaterie? Nun, Materie verträgt sich nicht mit ihrer korrespondierenden Antimaterie. Kommen sie sich zu nahe, zerstrahlen sie in hochenergetische Photonen. Hochenergetisch deshalb, weil schon geringe Ruhemassen der Teilchen (z.B. Elektronen und Positronen mit je 511 keV) ausreichen, um durch den großen Faktor c² in der berühmten Gleichung E = mc², eine hohe Energie der Vernichtungsstrahlung zu erhalten. Diese Annihilation setzte auch im frühen Kosmos am Ende der GUT-Ära ein und verwandelte das Universum in ein 'Strahlenmeer'. Die Strahlung war allerdings noch an die dichte Materie gekoppelt. Sie war gefangen im dichten Urgas. Neben den unzähligen Photonen blieb aufgrund der Asymmetrie ein kleiner Teil von Materie übrig. Nach der Zerstrahlung kamen auf jedes Teilchen eine Milliarde Lichtteilchen! Das Konglomerat aus Materieteilchen und Lichtteilchen befand sich danach in einer langen Phase im thermischen Gleichgewicht. Deshalb kann dem Materie-Photonen-Gas eine wohl definierte Temperatur zugeordnet werden.

Endlich Atomkerne & Atome!

Mit der weiteren Ausdehnung des Universums wurde es kühler und die Materie unterlag weiteren Phasenübergängen: die Quarks, die am Ende der GUT-Ära entstanden verloren ihre Freiheit und hadronisierten in der Hadronen-Ära. Die Hadronen, wie Proton und Neutron, verschmolzen zu leichten Atomkernen während der primordialen Nukleosynthese. Schließlich war das Universum kalt genug, dass die Elektronen von den positiv geladenen Atomkernen eingefangen und dauerhaft gebunden werden konnten: Es entstanden neutrale Atome in dieser Rekombinationära. Erst in dieser Phase wurden die Photonen aus ihrem 'Materiekäfig' entlassen: Die Lichtteilchen entkoppelten sich von den Materieteilchen und durchfluteten das Universum: Das dichte Urplasma lichtete sich, es wurde hell. Die entkoppelte Strahlung beobachtet man heute noch, etwa 13 Milliarden Jahre nach ihrer Erzeugung: es ist die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie ist der gewichtigste Zeuge dafür, dass sich das hier umrissene Szenario abgespielt hat und das es einen heißen Urknall (engl. Hot Big Bang, HBB) gab.

Erste Sterne, erste Galaxien, Leben

Der Begriff Baryogenese bezeichnet also die Ausbildung von baryonischer Materie. Sie war in den folgenden kosmischen Entwicklungsphasen - der Strukturbildung - die Saat für Objekte, die daraus 'kondensierten': für erste Sterne, Galaxien, Planeten, Leben und am Ende der Kette, den Menschen. In ähnlicher Weise lassen sich für die letztgenannten Bildungsphasen die Begriffe Stellargenese, Galaktogenese, Planetogenese, Biogenese und Anthropogenese ersinnen - doch ist keines davon ist in der Kosmologie gebräuchlich.

Baryonen sind eine Unterklasse der Hadronen und bestehen aus drei Quarks. Der Begriff Baryon leitet sich vom Griechischen barys ab, was übersetzt 'schwer' bedeutet. Die bekanntesten Vertreter der Baryonen sind die beiden Nukleonen Proton und Neutron. Sie haben den Quarkgehalt uud bzw. udd.
Alle Baryonen sind Fermionen, weil die Spins ihrer Konstituenten zu halbzahligen Spins koppeln.
Eine exotische und besonders schwere Form der Baryonen sind die Hyperonen.

Ein Ausdruck, der vor allem in der Kosmologie gebräuchlich ist und zur Unterscheidung der unterschiedlichen Formen von Energien im Universum dient. Baryonische Materie setzt sich aus Quarks und Leptonen zusammen; eigentlich ist der Begriff 'baryonisch' hier nicht präzise (vergleiche auch Hadronen). Die Kosmologen meinen also damit die uns vertraute Form der Materie, aus der wir selbst bestehen.

Anteil baryonischer Materie

Es gibt aber auch andere Energieformen im Kosmos, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie, deren physikalische Natur jedoch noch nicht entschlüsselt ist. Ihre Anteile überwiegen deutlich im Kosmos: Dunkle Energie macht etwa 74% aus, die Dunkle Materie 22% und die baryonische Materie steuert nur 4% bei. Diese Anteile bestätigen unabhängig voneinander verschiedene Messverfahren der modernen, experimentellen Kosmologie, wie z.B. die primordiale Nukleosynthese, die kosmische Hintergrundstrahlung, extrem weit entfernte Supernova-Explosionen vom Typ Ia und die großräumige Verteilung der Galaxien im Kosmos.

Rätselhafter Kosmos!

Diese Anteile bereiten den Physikern großes Kopfzerbrechen. Denn mit anderen Worten bedeuten sie: Die Zusammensetzung des Universums ist zum größten Teil völlig unverstanden!

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© Andreas Müller, August 2007

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