Astro-Lexikon P 4

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A-Z

Es lohnt sich, in der Klärung des Begriffs Phantom-Energie etwas weiter auszuholen und diese Form einer Dunklen Energie in einem allgemeineren Kontext zu beschreiben.

Erfindung, Niedergang und Renaissance von Λ

Die moderne Kosmologie ist ein besonders aufregender Forschungszweig der Astronomie. Das Universum als Ganzes konnte erst mit den mathematischen Werkzeugen der Allgemeinen Relativitätstheorie seit 1916 befriedigend beschrieben werden. Ein zunächst fixer Parameter, die kosmologische Konstante Λ, wurde von Albert Einstein 1917 eingeführt, um die Palette von Modell-Universen zu erweitern und insbesondere sein favorisiertes statisches Universum theoretisch erklären zu können. Nach der experimentellen Entdeckung der Kosmodynamik durch Edwin Hubble wurde die Lambda-Kosmologie zunächst verworfen. Die dynamischen Friedmann-Weltmodelle erlebten fortan eine Blütezeit. Im Zuge neuer Beobachtungsdaten, die 1998 eine beschleunigte Expansion des Universums belegten, bekam die Lambda-Kosmologie wieder Zulauf. Mehr noch: der Λ-Term wurde ein freier Parameter und 'kosmische Stellschraube' für die Kosmologie.

Zoo Dunkler Energien

Warum war jedoch die Energiedichte der kosmologischen Konstante gerade vergleichbar groß, wie diejenige der Materie? Um dieses Koinzidenz-Problem der Kosmologie zu lösen, wurden neue Formen Dunkler Energie erfunden. Im Zuge moderner Entwicklungen verlor die kosmologische Konstante ihre Konstanz. Die Stringtheorien stellten dazu weitere Methoden zur Verfügung, um mithilfe von Extradimensionen und Branenwelten eine zeitlich veränderliche Dunkle Energie zu etablieren.
Wichtig ist, dass es oft Dunkle Energie genannt wird, aber durch verschiedene physikalische Mechanismen generiert wird. Mit ΛCDM meinen die Forscher eine Λ-Kosmologie (Λ), die neben einer Dunklen Energie ohne zeitliche Veränderlichkeit auch einen signifikanten Anteil kalter Dunkler Materie (cold dark matter, CDM) enthält. Der w-Parameter bei ΛCDM ist exakt w = -1.
Eine zeitlich veränderliche Dunkle Energie nennen die Kosmologen Quintessenz. Oft hört man hier das Akronym QCDM, das sich auf ein Quintessenz-Modell (Q) ebenfalls mit Beimischung kalter Dunkler Materie bezieht (engl. Quintessence Cold Dark Matter Cosmology). Der w-Parameter bei QCDM ist exakt w = -1/3.
Gewöhnliche baryonische Materie hat in beiden Kosmologien keine Bedeutung für die Dynamik des Universums! Das belegen die Beobachtungsdaten mit ganz verschiedenen, sogar unabhängigen Methoden.

Physikalische Interpretation der Dunklen Energien

• Eine favorisierte Deutung involviert das Quantenvakuum: virtuelle Teilchenpaare dieses Vakuums sollen einen niederenergetischen, fein verteilten Untergrund beisteuern. Kosmologisch trete dieses 'Teilchengewusel' als ein konstanter Λ-Term in Erscheinung. Diese Deutung klingt viel versprechend, ist leider in einer detaillierten Rechnung problematisch.
• Der Ansatz einer zeitlich veränderlichen kosmologischen Konstante geht bereits auf M.P. Bronstein (1933) zurück. Im Cosmon-Modell (1987) von C. Wetterich (Institut für Theoretische Physik, Universität Heidelberg) wird diese Idee wiederbelebt (Papier hep-th/9408025). Die Gravitation koppelt hier an ein Skalarfeld mit exponentiellem Potential.
• Im Rahmen der Branenwelt wird ein Quintessenz-Szenario von Steinhardt et al. entworfen, das auf einem Skalarfeld namens Radion basiert. Das Radion führt einen dynamischen Kosmos herbei, der in einem Big Crunch endet. Die Autoren sprechen hier von einer Ekpyrosis und meinen in Anlehnung an die griechische Mythologie einen 'Weltenbrand', in dem sich die Welt reinigt und neu erschafft. Das Radionfeld erlaubt sogar, dass die Ekpyrosis wiederholt stattfindet - ein Szenario, dass Steinhardt und Kollegen Zyklisches Universum genannt haben. Die Leistung dieses Modells ist, dass es erstmals den Urknall (Big Bang) erklärte (Publikation von P.J. Steinhardt & N. Turok, 2001, hep-th/0111030). Dennoch ist es eine mögliche Spekulation von vielen, die bislang nicht durch astronomische Beobachtungen gestützt werden kann.
• Der Erfindungsreichtum der Kosmologen ist groß: Im Spintessenz-Modell wird die Quintessenz durch ein rotierendes, komplexwertiges Skalarfeld repräsentiert. Die Rotation nimmt hier mit der Expansion ab und führt über diesen Spin-down-Mechanismus zur Abnahme der Dunklen Energie (L.A. Boyle, R.R. Caldwell & M. Kamionkowski, 2001, astro-ph/0105318).
• S.B. Giddings deutet hingegen die Dunkle Energie als kompaktifizierte Extradimensionen, die plötzlich dekompaktifizieren könnten. Dieses Szenario würde in einer vollständigen Zerstörung unserer vierdimensionalen Welt enden. Dieses ebenfalls spekulative Modell erfordert eine höherdimensionale Welt, wie sie beispielsweise in den Stringtheorien gefordert wird, allerdings mit kosmologischer Konstante (Papier: The fate of four dimensions, 2003, hep-th/0303031).
• Die neuste Variante stammt von R.R. Caldwell, M. Kamionkowski & N.K. Weinberg: die Phantom-Energie (Publikation: astro-ph/0302506). Der entscheidende Unterschied ist, dass die Expansionsrate des Universums in Lambda- und Quintessenz-Kosmologien konstant bleibt oder stetig abnimmt; in Phantom-Energie-Modellen nimmt sie zu! Die Folgen sind dramatisch: Weil in endlicher Zeit die Phantom-Energiedichte gegen unendlich geht, wird alles zerrissen! Diesen Big Rip kann nichts überstehen: weder Galaxienhaufen, noch Galaxien, weder die Milchstraße, noch Schwarze Löcher, das Sonnensystem oder die Erde, nicht einmal Atome, Atomkerne und Elementarteilchen überdauern dieses Ereignis. Der Grund liegt darin, dass die Phantom-Energie dann alle Naturkräfte übertrumpft. Auf der Planck-Skala mögen Effekte auftauchen, die dieses Szenario modifizieren. Bislang ist dieses weitere spekulative Modell noch konsistent mit den aktuellen Beobachtungsdaten (WMAP). Für das Verhältnis von Druck und Energiedichte der Phantom-Energie (Definition des w-Parameters) legen die Beobachtungen einen Wertebereich von -1.22 bis -0.78 nahe (Krauss et al., astro-ph/0305556). Der Big Rip würde sich bei einem angenommen w-Parameter von w = -1.2 in etwa 50 Milliarden Jahren ereignen.

Λ ja, Quintessenzen und Phantom nein

Bei aller 'Spekuliererei und Eselei': Die aktuellen Beobachtungsdaten (Februar 2004 und November 2006) des Weltraumteleskops Hubble verleihen Einsteins kosmologischer Konstante wieder hohes Gewicht. Denn die Messdaten hochrotverschobener Supernovae vom Typ Ia mit kosmologischen Rotverschiebungen zwischen 0.2 bis 1.6 belegen, dass die Dunkle Energie auf den betrachteten kosmologischen Distanzen zeitlich kaum variierte (Riess et al. 2004, astro-ph/0402512 und Riess et al. 2006, astro-ph/0611572). Sie hatte schon vor etwa neun Milliarden Jahren den heutigen Wert. Der w-Parameter liegt also sehr nahe bei -1. Das lässt nur den Schluss zu, dass, wenn überhaupt die Dunkle Energie zeitlich variiert, dann nur sehr langsam. Das macht den Big Crunch unwahrscheinlich und die ewige, beschleunigte Expansion des Universums wahrscheinlich. Wir werden also unsere Rentenprobleme in Deutschland lösen müssen.

Ein alternativer Begriff für Photon ist Lichtteilchen. Photonen sind demnach 'Lichtpakete' die Quantencharakter haben.

Der Wegbereiter Maxwell

Etwas präziser gesagt ist ein Photon das Austauschteilchen, Feldquant oder Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung. Vor dieser Erkenntnis im 20. Jahrhundert war die Auffassung, dass Licht aus klassischen Wellen besteht. Diese klassische (unquantisierte) Beschreibung gelang in der Elektrodynamik, die der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831 - 1879) im 19. Jahrhundert begründet hat. Er fand vier Gleichungen, die elektrische Felder in Beziehung setzen zu Magnetfeldern: die Maxwellschen Gleichungen. Die Felder werden mathematisch als Dreiervektoren beschrieben. Die Maxwell-Gleichungen kann man entweder in integraler oder in differenzieller Form notieren.
Aus den vier Maxwell-Gleichungen kann man mit relativ wenig mathematischem Bemühen eine Wellengleichung ableiten. Das ist gerade die Bewegungsgleichung der elektromagnetischen Welle ist. Aus der Maxwell-Theorie folgt, dass sich diese Welle mit der Lichtgeschwindigkeit c fortpflanzt. In die Wellengleichung kann man die Komponenten des Magnetfeldes, des elektrischen Feldes und deren Potentiale (magnetisches Vektorpotential, elektrisches Potential) einsetzen. Im Rahmen der klassischen Elektrodynamik ist Licht eine unendlich ausgedehnte elektromagnetische Welle, die sich auch im Vakuum ausbreiten kann. Im strengen Sinne ist dies noch kein Photon, weil es nicht diskret, sondern kontinuierlich ist.

Von der klassischen Welle zum Lichtquant

Den nächsten entscheidenden Beitrag lieferte um 1900 der Physiker Max Planck (1858 - 1947). Er deutete - in einem 'Akt der Verzweiflung' wie er es umschrieb - die Wärmestrahlung von Körpern bestimmter Temperatur (Schwarze Körper) mit kleinen Oszillatoren, die diskrete Energiezustände einnehmen können. Daraus folgte die berühmte Plancksche Strahlungsformel.
Doch erst Albert Einstein (1879 - 1955), der Begründer der Relativitätstheorie, war mutig genug, Plancks Diskretisierung viel allgemeiner zu sehen: Einstein postulierte die Lichtquanten. Die elektromagnetische Strahlung solle für jede Strahlungsenergie quantisiert sein. Sie könne nur Vielfache des Planckschen Wirkungsquantums annehmen (siehe Gleichung unten). Mit dieser Hypothese deutete Einstein in seinem Wunderjahr 1905 erfolgreich den Photo-Effekt, also die Fähigkeit von Licht Elektronen aus einer Oberfläche zu schlagen. Quantisierung war noch kein allgemein akzeptiertes Phänomen, weshalb die Deutung des Franck-Hertz-Versuchs mit Lichtquanten bahnbrechend war. Für diese Lichtquantenhypothese erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik. In gewisser Weise muss Einstein deshalb als Mitbegründer (nicht als Gegner, wie fälschlicherweise oft zu lesen ist!) der Quantentheorie angesehen werden. Das, was in später von der Quantentheorie abschreckte, war die Wahrscheinlichkeitsinterpretation und im Speziellen die Kopenhagener Deutung ('Gott würfelt nicht!').

Farbe gibt's nur in Häppchen

Je nach seiner kinetischen Energie, die man als Strahlungsenergie identifiziert, tritt das Photon (aufsteigend mit zunehmender Energie) als Radioquant, Mikrowellenquant, Infrarotquant, optisches Quant, Ultraviolettquant, Röntgenquant oder Gammaquant in Erscheinung. Die Lichtenergie ist gerade ein Maß für die Farbe. Die Energie des Quants E berechnet sich aus der Strahlungsfrequenz ν oder Wellenlänge λ, wobei h eine fundamentale Naturkonstante ist: das Plancksche Wirkungsquantum, mit der Einheit einer Wirkung (Energie × Zeit, also Joulesekunden im SI):

h = 6.62608 × 10^-34 Js

An der Gleichung oben rechts sieht man also direkt die Quantelung des Lichts, also Portionierung in diskrete 'Energiepakete', nämlich in Vielfachen von h. Im modernen Sprachgebrauch sind solche Lichtpakete bereits Photonen.

Ursprung des Begriffs Photon

Die Bezeichnung Photon wurde erst 1926 von dem US-amerikanischen Chemiker Gilbert Newton Lewis (1875 - 1946) erfunden. Er schrieb (Nature 118, 874, 1926):

I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon.

Wie aus dem Zitat hervorgeht, meinte Lewis mit Photon zunächst nicht das Lichtquant, sondern ein neues, hypothetisches Teilchen. Während sich seine neue Hypothese nicht durchsetzte, blieb der Begriff des Photons und setzte sich als Bezeichnung für das Lichtquant durch. Schon 1930 benutzt Lewis die Begriffe Photonen und Lichtquanten explizit synonym (siehe seine Veröffentlichung mit dem Titel Quantum kinetics and the Planck equation, Phys. Rev. 35, 1533, 1930).
Der Begriff Photon passt wegen seiner griechischen Bedeutung, phos: 'Licht', hervorragend.

Quantenfeldtheorie des Lichts

Anfang des 20. Jahrhunderts war der Siegeszug der Quantentheorie nicht aufzuhalten: Viele Physiker trieben die neue quantisierte Theorie voran und fanden andere physikalische Größen (Teilchenspin etc.), die ebenfalls quantisiert sind. Schließlich wurde die Quantenelektrodynamik (QED) entwickelt. Sie war die erste erfolgreich formulierte Quantenfeldtheorie von allen. Die QED hat eine relativ einfache Gruppenstruktur und basiert auf der unitären Symmetriegruppe U(1).
Anschaulich kann man sich den Austausch von Photonen in Feynman-Diagrammen vorstellen. Wenn elektrische Ladungen miteinander wechselwirken werden virtuelle Photonen ausgetauscht, die so kurzlebig sind, dass sie nicht direkt nachgewiesen werden können. Photonen koppeln immer an elektrische Ladungen: sie sind die 'Botenteilchen' oder Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung.

Eigenschaften des Photons

Eine wichtige Eigenschaft des Photons ist, dass es Ruhemasse null hat und deshalb überhaupt die Lichtgeschwindigkeit c erreichen kann. Teilchen mit endlicher Ruhemasse werden nämlich durch einen kinematischen Effekt der Spezielle Relativitätstheorie am Erreichen von c gehindert (siehe auch Tardyon). Dies wird häufig - auch in vielen Physik-Lehrbüchern - etwas unglücklich mit 'relativistischem Massenzuwachs' bezeichnet. Es ist jedoch nicht die Masse, die anwächst, sondern der Impuls! Treffender wäre also der Begriff 'relativistische Impulszunahme'. Die Konsequenz der Tatsache, dass sich Photonen mit c bewegen, ist faszinierend: Photonen altern nicht! Der Lorentz-Faktor (siehe dazu Lorentz-Transformation) divergiert im Falle v = c: die Zeitdilatation wird daher unendlich und die Längen- oder Lorentz-Kontraktion geht gegen null! Alle Luxonen unterliegen diesem Effekt 'ewiger Jugend'. Die Kosmetikindustrie hat leider noch keine Möglichkeit gefunden, sich dies zunutze zu machen. Die Photonen leben also in einer zeitlosen Welt.
Weiterhin besitzen Photonen Spin 1 und gehören deshalb zur Teilchengruppe der Bosonen. Sie unterliegen nicht dem Pauli-Prinzip, d.h. beliebig viele Photonen können denselben quantenmechanischen Zustand bevölkern (siehe auch Spin-Statistik-Theorem). Das ermöglicht z.B. erst den Laser, weil sich hier viele Photonen im gleichen Zustand aufhalten. Photonen zählen wegen der Spin-1-Eigenschaft zu den intermediären Vektorbosonen: Vektorbosonen haben Spin 1; intermediär sind alle Austauschteilchen. Man sagt auch: Photonen sind die Eichbosonen der elektromagnetischen Wechselwirkung.
Außerdem ist das Photon selbst elektrisch neutral, farbungeladen und punktförmig wie die Quarks und Leptonen, d.h. es weist keine weitere Substruktur oder Zusammensetzung auf.

Boten aus der Tiefe des Weltraums

Die Photonen sind die wesentlichen Informationsträger der Astronomie, tragen sie doch über Milliarden von Lichtjahren hinweg die Informationen astrophysikalischer Objekte (verschlüsselt in ihrer Energie, Richtung, Anzahl, Polarisation) bis zu unseren Strahlungsdetektoren auf der Erde. Die Astronomie hat sich je nach Energiedomäne der Photonen verzweigt in Radioastronomie, Infrarotastronomie, dem Archetypus der optischen Astronomie, Röntgen- und Gammaastronomie. Jede Teildisziplin hat ihre besonderen Messtechniken. Die CCD-Kameras, im Prinzip eine riesige Digitalkamera mit einem metergroßen Teleskop als gigantisches Objektiv, sind für alle Spektralbereiche empfindlich. CCDs beruhen gerade auf dem erwähnten Photo-Effekt, weil die auf den Pixeln auftreffenden Photonen elektrische Ströme aus Elektronen in jedem Pixel produzieren; diese Ströme werden verstärkt und in ein Bild umgewandelt. Eine Synthese bzw. Synopsis der gewonnenen CCD-Daten liefert dem Astronomen eine puzzleartig zusammengesetzte Vorstellung von kosmischen Objekten, das der theoretische Astrophysiker mit physikalischen Gesetzen zu erklären versucht.
Selbstverständlich sind neben den Photonen auch andere Teilchen hinzugekommen, die das Fenster ins Universum beträchtlich vergrößert haben. So bildet die Neutrinoastronomie ein modernes Betätigungsfeld, dass uns sogar aus bisher verborgenen Bereichen Informationen zukommen lässt. Zu diesen verborgenen Stätten gehört das Innere von Sternen, Supernovae-Explosionen und Hypernovae. Es ist zu erwarten, dass bald Akkretionsflüsse nahe kompakter Objekte und relativistische Jets dazukommen werden.
Die hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung (Protonen, α-Teilchen, Elektronen, Myonen etc.) erweitern die Palette der kosmischen Informationsboten.
Mit Spannung erwarten die Physiker, insbesondere die Relativisten, die experimentelle, direkte Messung von Gravitationswellen. Dabei handelt es sich um Störungen in den Krümmungen und Glättungen der Raumzeit, die sich ebenfalls gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollen. Sie würden wertvolle Informationsträger sein, weil man mit ihnen sogar tiefer ins Universum blicken kann, als mit elektromagnetischer Strahlung. Denn Gravitationswellen passieren die elektromagnetische Barriere der kosmologischen Rekombinationsepoche. Mit ihrer Hilfe könnten Astronomen vielleicht bis zum Urknall blicken!
Die Staubastronomie ist ein weiterer Bereich, in dem die Eigenschaften interstellaren und intergalaktischen Materials untersucht werden. Staub (engl. dust) bezeichnet in der Astronomie einfache bis komplexe Verbindungen mit Durchmessern von Bruchteilen eines Mikrometers bis etwa einem Mikrometer. In erdnahen Regionen (Sonnensystem) ist das direkte Studium von Staubteilchen möglich (siehe Zodiakallicht), in fernen Regionen wird indirekt auf den Staub mithilfe sekundärer Teilchen, wiederum den Photonen, geschlossen. Dies begründet sich durch die vielfältigen Reaktionen, die Photonen mit Staubteilchen eingehen (Streuung, Anregung zur Emission, Absorption, Extinktion).

Photonen verwandeln sich

Solange die Erhaltungssätze der Teilchenphysik erfüllt sind, können Photonen sich in andere Teilchen umwandeln. Ein bekanntes Beispiel ist die Paarbildung, wo aus Gammaphotonen Materie werden kann, nämlich z.B. Elektron und Positron. Welche Teilchenpaare materialisieren können, hängt von der Ausgangsenergie ab, die die Photonen mitbringen (siehe Reaktionsgleichung im Eintrag Penrose-Prozess).
Ein ähnlicher Vorgang bestünde in der Oszillation von Photonen in die hypothetischen Axionen. Axionen sind pseudoskalare Nambu-Goldstone-Bosonen, die die chirale Peccei-Quinn-Symmetrie der Quantenchromodynamik brechen. Dieser Primakoff-Mechanismus wäre von großem Belang für die Teilchenphysik und Kosmologie. Im Gegensatz zur Umwandlung in Leptonen, ist die Umwandlung in Axionen eine bisher nicht bestätigte Hypothese.

Es handelt sich um einen ausgezeichneten Orbit um Schwarze Löcher für Photonen (Lichtteilchen), der instabil ist. Die Photonen können auf diesem Orbit im Prinzip unendlich lange das Schwarze Loch umkreisen, jedoch müssen sie zuvor unter geeigneter Richtung in diesen Orbit injiziert werden.

Photonenorbit und Penrose-Prozess

Es gibt einen bestimmten Penrose-Prozess, bei dem im Photonenorbit eingefangene Photonen relevant sind, um mit radial einfallenden Photonen ein Paarplasma zu erzeugen. Das so erzeugte (leptonische) Paarplasma könnte die Jets speisen, die in unmittelbarer Umgebung von Schwarzen Löchern entstehen.

Berechnung des Photonenorbits

Die Definition des Photonenorbits steht in der Gleichung oben rechts, wobei a der Kerr-Parameter und M die Masse des Schwarzen Loches sind. Wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie üblich, wurden geometrisierte Einheiten (G = c = 1) verwendet, so dass der Photonenorbit in Einheiten der Masse M angegeben wird.
Es ist leicht nachzurechnen der Photonenorbit für die Schwarzschild-Lösung (a = 0) bei 3 Gravitationsradien (oder 1.5 Schwarzschildradien) liegt. Für den maximalen Kerr-Fall (a = M) ist der Photonenorbit identisch mit dem Ereignishorizont und liegt bei nur einem Gravitationsradius.

Photonensphäre ≠ Photosphäre

Als Photonensphäre bezeichnet man dementsprechend die Fläche um ein Schwarzes Loch, auf der alle instabilen Photonenorbits liegen. Dies ist bitte nicht zu verwechseln mit der Photosphäre von Sternen, wie der Oberfläche von der Sonne, aus der der Großteil der Strahlung stammt (s.u.).

Die Photosphäre bezeichnet eine bestimmte Schicht in Sternen, und zwar diejenige, aus der der größte Teil des Lichts (grch. phos) kommt. Wenn wir Sternenlicht sehen, beobachten wir eigentlich die Photosphären der Sterne. Ein Verständnis von den Vorgängen in der Photosphäre ist daher von großer Bedeutung für die Astronomie.

Sternspektren

Wenn Astronomen die Sternspektren analysieren, können sie aus Vorhandensein und Breite der Spektrallinien auf die chemische Zusammensetzung der Photosphäre schließen. Das Element Helium (grch. helios: Sonne) wurde auf diese Weise in Sonnenspektren entdeckt. Helium ist die 'Asche' des Wasserstoffbrennens (siehe pp-Kette) und gelangt durch Konvektion auch in die Photosphäre. Dort absorbiert es Strahlung aus dem Sterninnern, was als bestimmte Absorptionslinen, den Fraunhofer-Linien, beobachtet werden kann. Die Sternfarbe ist ebenfalls ein Resultat der photosphärischen Vorgänge und führt auf wichtige Zustandsgrößen wie Effektivtemperatur und Spektraltyp. Auch die Leuchtkraft aus der Analyse der (photosphärischen) Sternspektren gewonnen.

Ganz schön dünn!

Die Photosphäre beginnt an der Materieoberfläche der Sterne und reicht nur einige hundert Kilometer tief in das Sterninnere hinein - das ist verglichen mit typischen Sternradien sehr wenig. Betrachten wir als Beispiel die Sonne: sie hat einen Radius von knapp 700000 km; die Schichtdicke der Photosphäre beträgt nur etwa 200 km. Der Volumenanteil der Photosphäre beträgt nur knapp 0.1%, doch fast alle Photonen kommen von dort.

Warum schafft es das Licht aus dem Sterninnern nicht direkt zu uns?

Von außen nach innen kommend wird ein Stern immer heißer. Als Konsequenz wird das Sternplasma inwärts immer stärker ionisiert. Ein Plasma ist undurchsichtig, wie jede Kerzenflamme demonstriert, weil man durch Kerzenflammen nicht schauen kann. Die Astrophysiker nennen diese Eigenschaft von Plasma optisch dick. Die optische Tiefe ist in dem Sternplasma so groß, dass die Lichtteilchen aus dem Sternkern nicht direkt aus dem Stern austreten können. Sie werden im Sternplasma gestreut, absorbiert und reemittiert und finden erst nach einiger Zeit den Weg in die Photosphäre. Bis sie dort ankommen, haben sie sich jedoch auch verändert: Die hochenergetischen Gammaphotonen, die tief im Sterninnern aus thermonuklearer Fusion erzeugt wurden, sind nun Ultraviolett- und optische Photonen geworden, die vergleichsweise weniger Energie haben (Anmerkung: Die Röntgenstrahlung der Sonne kommt aus der extrem heißen Korona, also nicht von der Sonnenoberfläche.).
Dennoch können Astronomen tief ins Innere von Sternen schauen. Sie verwenden dazu allerdings nicht Licht, sondern Neutrinos. Diese sehr leichten, schwach wechselwirkenden Teilchen können fast ungehindert das Sternplasma passieren. Das macht ihre Detektion auch sehr schwierig; dennoch ist das gelungen. Ihre Eigenschaften (kinetische Energie und Leptonenfamilie) geben den Astronomen direkt Auskunft über das Milieu im Sternkern und über die Art der Fusionsprozesse, die dort ablaufen. Auch bei Supernovae tragen Neutrinos Informationen direkt aus dem dichten Explosionsgebiet zum irdischen Beobachter.

Photosphäre als Sternrand?

Es wäre falsch zu behaupten, dass die Photosphäre die äußerste Schicht eines Stern wäre, weil sich außerhalb der Photosphäre noch die Chromosphäre und die Korona anschließen. Die Ausdehnung der Korona ist verglichen mit der Photosphäre immens: im Fall der Sonne reicht die Korona bis 0.13 AU - das sind rund 28 Sonnenradien!
Die Materiedichte macht einen großen Sprung von der Korona zur Photosphäre, so dass man die Photosphäre mit der Sternoberfläche assoziieren kann.

körnige Sonnenoberfläche

Mit geeigneten Sonnenfiltern (z.B. Hα) können die Astronomen sehr viel Struktur in der Photosphäre der Sonne sichtbar machen. Über die ganze Sonnenscheibe ist so die Granulation beobachtbar. Das ist ein körniges Muster, das durch die Umwälzung des Sternplasmas (Konvektion) im Innern zustande kommt. Die Sonne kocht. Heißes Plasma aus dem Innern steigt auf, kühlt sich ab und sinkt wieder nach unten. Bei der Konvektion findet ein Wärme- und Materietransport statt, der den Energiehaushalt des Sterns reguliert. Die Granulation ist die 'Spitze des Eisbergs' dieser Konvektion: Astronomen sehen kleine Konvektionszellen (Granulen), die bei der Sonne mehr als tausend Kilometer durchmessen können und mit bis zu zehn Minuten erstaunlich kurzlebig sind. Im Eintrag Sonne werden weitere photosphärische Erscheinungen wie Supergranulation, Sonnenflecken, Sonnenflares, Protuberanzen etc. erläutert. Auch ein Blick in den Eintrag Randverdunklung lohnt sich.

Pionen ist eine abkürzende Bezeichnung der π-Mesonen (die also aus Quark und Antiquark bestehen). Die Teilchenphysiker kennen drei verschiedene Pionen: ein neutrales Pion π⁰, ein positiv geladenes Pion π⁺ und ein negativ geladenes Pion π^-. Die Zahl 3 ist kein Zufall, weil die Pionen ein Isospintriplett (Isospin 1) bilden.

Pionenzerfall

Pionen wurden 1947 in der Höhenstrahlung entdeckt. Sind die Pionen elektrisch geladen, so reichern sie die Höhenstrahlung durch ihren Zerfall mit Myonen an. Ist es das neutrale Pion, so können aus dem Zerfall Photonen erzeugt werden. Diese Zerfallsreaktionen fassen die Gleichungen links zusammen.

Pion aus Protonenunfall

Pionen entstehen vornehmlich bei Kollisionen von Atomkernen und werden in gigantischer Zahl bei Schwerionenstößen in Teilchenbeschleunigern erzeugt. Wenn Protonen (geladenes Nukleon im Atomkern) kollidieren (Dinukleonen-Mode), gibt es ab einer Energieschwelle von 300 MeV drei verschiedene Möglichkeiten (Zerfallskanäe), was daraus entstehen kann: Wie die Reaktionsgleichungen oben zeigen, können alle drei verschiedenen Pionen entstehen. Die Teilchenphysiker bezeichnen positiv oder negativ geladenen Pionen als geladene Ströme (engl. charged currents, CC) und das neutrale Pion als neutralen Strom (engl. neutral current, NC). Neben dem jeweiligen Pion, bildet sich irgendein Kern X. Die entstandenen geladenen Pionen können in einem genügend dünnen Medium weiter zerfallen und Myonen und Neutrinos erzeugen (s.o.). Diese Reaktionskette ist wesentlich in den Jets von AGN und GRBs, weil sie favorisierte Kandidaten sind, für die Emission ultrahochenergetischer Neutrinos.

Photopionenproduktion

In Stößen, wo Protonen und Photonen beteiligt sind, kann in einem inelastischen Streuprozess ein neutrales Pion entstehen, das Proton bleibt erhalten. Diesen Mechanismus nennt man Photopionenproduktion. Bei den AGN-Jets kommen als Photonenquelle der Jet selbst (Synchrotronemission) oder auch Photonen des kosmischen Hintergrunds (engl. cosmic microwave background, CMB) in Frage. Eine zweite Möglichkeit besteht im so genannten Isospin-Flip. Der Isospin ist eine Quanteneigenschaft (Quantenzahl), die zwischen Protonen und Neutronen unterscheidet. Diese Eigenschaft wurde von Werner Heisenberg eingeführt. Wenn der Isospin 'flippt', also umklappt, wird aus einem Proton ein Neutron (oder umgekehrt). Genau dieser Fall kann eintreten und positive Pionen hervorbringen. Aus Gründen der Quantenzahlerhaltung muss daneben ein Neutron entstehen. Da es neutral ist, wird es von Magnetfeldern nicht beeinflusst, so dass - falls dieser Prozess in Jets geschieht - dieses Teilchen entkommen kann und nicht von den Magnetfeldern des Jets eingeschlossen wird. Es ist anzunehmen, dass sich ein Neutronen-Halo um die Quelle bildet und Neutronen über den β-Zerfall zerfallen, was weitere Protonen und Leptonen (Elektronen, Neutrinos) hervorbringt. Diese Verhältnisse fassen die folgenden Reaktionsgleichungen zusammen:

Eigenschaften der Pionen

Die Massen betragen 134.9766 MeV für das neutrale Pion bzw. 139.57018 MeV für die geladenen Spezies (Quelle: Particle Physics Booklet, Juli 2002). Alle Pionen sind - wie alle Mesonen aufgrund ihres Quarkgehalts - recht kurzlebig. Das neutrale Pion hat nur eine mittlere Lebensdauer von nur 84 as (Präfix a, atto: 10^-18) und hat als dominanten Zerfallskanal zwei Gammaquanten (fast 99%) oder ein Gammaquant und ein Elektron-Positron-Paar (etwa 1%). Die geladenen Pionen zerfallen mit einer mittleren Lebensdauer von 26.033 ns ausschließlich in ein Myon und ein Myon-Neutrino, das derselben Leptonenfamilie (μ) angehören muss - der Grund dafür ist die Leptonenzahlerhaltung.
Die kürzere Lebensdauer des neutralen Pions erklärt sich aus seinem Quarkgehalt: es besteht aus einem up- und einem anti-up-Quark, während das negative Pion aus einem down- und einem anti-up-Quark und das positive Pion aus einem up- und einem anti-down-Quark bestehen. Quark und zugehöriges Antiquark zerfallen leichter.

Pionen vermitteln Kernkräfte

Pionen sind von besonderer Wichtigkeit für die starke Wechselwirkung, weil sie die Kernkräfte vermitteln. Hideki Yukawa konnte 1935 zeigen, dass der Ein-Pion-Austausch (One Pion Exchange, OPE) die langreichweitige, anziehende Komponente der Kernkraft ist. Dagegen ist der Zwei-Pionen-Austausch (Sigma-Meson) verantwortlich für die Potentialmulde und das Omega-Meson für die kurzreichweitige, anziehende Komponente der Kernkräfte. Diese Beiträge zur resultierenden Gesamtkernkraft kann man durch die Yukawa-Potentiale der einzelnen Teilchen unterschiedlicher Masse ableiten.

eine hypothetische Umwandlungsart

Pionen könnten in die hypothetischen Axionen konvertieren, pseudoskalare Nambu-Goldstone-Bosonen, die die chirale Peccei-Quinn-Symmetrie brechen. Dieser Mechanismus wäre von großem Interesse für Teilchenphysiker und Kosmologen.

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© Andreas Müller, August 2007

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