Wie wir im vorherigen Kapitel betrachtet haben, spricht vieles für einen kosmischen Wirbel, der im Zentrum unseres Universums rotiert. Einige Wissenschaftler sprechen auch von einem kosmischen String, ein langes schweres Objekt mit einem winzigen Querschnitt, wie es während der Frühphase des Universums entstanden sein könnte. Dieser Kosmoswirbel hat einen Gesamtdrehimpuls, der sich maßgeblich auf die von ihm umgebenen Strukturen auswirkt. Dieser Wirbel im Zentrum ist im Grunde die „Mutter” aller Schwarzen Löcher.
Abb. 1: Schwarzes Loch
Schwarze Löcher bringt man im Allgemeinen mit einer Supernova in Verbindung. Hat z. B.
ein Protostern am Ende seines Lebenszyklus eine Masse von mehr als
8 Sonnenmassen, dann kollabiert der Rote Riese nicht
zu einem Neutronenstern, sondern zu einem „Schwarzen Loch”, weil die
Gravitation im Innern viel stärker ist. Ein Schwarzes Loch ist letztlich ein
durch die Geometrie verzerrter Raum. Der „Ereignishorizont” definiert, ab
welchem Punkt das Licht noch entweichen kann und wann nicht mehr. Bei
8 Sonnenmassen würde der Radius des Ereignishorizonts
beispielsweise 24 km betragen
Sobald die Photonen den Ereignishorizont überschritten haben, reicht ihre Energie nicht mehr aus, um den gekrümmten Raum zu verlassen. Daher kann das Licht nicht mehr zu uns gelangen und wird quasi von dem Schwarzen Loch geschluckt.
Jedes Schwarze Loch zeichnet sich vereinfacht betrachtet durch drei Eigenschaften aus. Es hat eine extrem große Masse, es besitzt nach wie vor einen Drehimpuls und es verfügt über Ladung. Alle anderen Eigenschaften gehen während des Kollapses scheinbar verloren. Allerdings darf man dabei nicht übersehen, dass es nach Überschreiten des Ereignishorizonts nach wie vor Quantenzustände gibt. Somit endet nicht alles in einer Singularität.
Die nachfolgende künstlerische Darstellung zeigt die Zentralregion einer aktiven Galaxie, über die Materie spiralförmig in das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einströmt. Ein energiereicher, durch starke Magnetfelder gebündelter Radiojet, wird senkrecht zur Scheibe abgestrahlt. Innerhalb des Jets werden nicht nur Radio-, sondern auch Gammaphotonen erzeugt.
Abb. 2: Schnell rotierendes Schwarzes Loch, das Materie ansammelt.
Um den weiteren Gedankengang bezüglich der spiralförmigen Strukturen in den Galaxien nachvollziehen zu können, müssen wir einen kurzen Sprung zu den kleinsten Strukturen des Lebens machen.
Fast jede Zelle unseres Körpers trägt die Information für den Bau unseres gesamten Körpers in sich. Diese Erbinformation ist im Zellkern in der DNA, auch „DNS” genannt, gespeichert.
Die DNA ist ein Makromolekül, in welchem die Informationen zur Entwicklung und Funktion des Lebewesens kodiert werden. Jeder Abschnitt der DNA, der für ein bestimmtes Protein kodiert, wird als Gen bezeichnet. Im Grunde ist die DNA der Bauplan für die Herstellung von Proteinen.
Die Bausteine der DNA sind die sogenannten Nukleotide, die unter anderem aus einer von vier organischen Basen besteht, wobei sich die Nukleotide aneinanderreihen und lange Ketten bilden können. DNA-Moleküle bestehen aus zwei solchen Ketten, die umeinander gewunden sind und damit eine Doppelhelix bilden.
Abb. 3: Der DNA-Strang mit seiner „Doppelhelix”. (BY-SA 3.0)
Diese zwei umeinander gewundenen Ketten, auch „DNA-Stränge” genannt, werden dadurch zusammengehalten, dass sich Basen von dem einen Strang mit den Basen vom dem anderen Strang bleibend verbinden. Vereinfacht kann man sich die DNA wie eine Wendeltreppe vorstellen.
Jede Zelle enthält fast zwei Meter DNA! Doch damit die DNA in den winzigen Zellen Platz hat, wird sie fest aufgewunden und raumsparend in sogenannte Chromosomen verpackt.
Was uns in diesem Zusammenhang besonders interessiert, ist die „Doppelhelix”. Die zwei Stränge winden sich um eine imaginäre Zentralachse. Damit die DNA raumsparend und zugleich zerreißsicher verpackt werden kann, muss sich diese Struktur im Raum winden können. Diesen Aspekt zu verstehen ist wichtig, um ihn auf den Kosmos übertragen zu können.
Nehmen wir an, es würden sich nicht nur 2 sondern z. B. 5, oder unzählbar viele Stränge um eine solche Zentralachse winden, wobei die Bahnkurven die Bewegungsrichtung der Galaxien veranschaulichen sollen. Diese Galaxien winden sich im weiteren Verlauf entlang des kosmischen Zeitstrahls, der im Grunde mit der Zentralachse der DNA vergleichbar wäre.
Eine Galaxie würde also in unserem Beispiel in einem solchen Strang bzw. Bahnkurve rotieren, während der Strang selbst, wie bei der Doppelhelix, um den kosmischen Zeitstrahl driftet. Quasi ähnlich wie bei unserem Sonnensystem. Während das Sonnensystem um das Zentrum der Galaxie rotiert, kreist es mit einem anderen Drehimpuls um die Sonne.
Abb. 4: Beispiel − 5 Galaxien driften durch den gekrümmten Raum.
Alle Galaxien rotieren letztendlich um das kosmische Zentrum unseres Universums.
Während die Galaxien durch den
Abb. 5: Die Galaxien rotieren um den kosmischen Zeitstrahl.
Die Gesamtzahl der Galaxien ist im Kosmos unterschiedlich verteilt. Es gibt Bereiche, wo die Dichteverteilung etwas offener ist, wobei es in anderen Bereichen zu sogenannten „Galaxiehaufen” kommt. Dennoch ist unser Universum eine unberandete Mannigfaltigkeit, und die Ausmaße unseres Universums sind trotz seiner gigantischen Größe nicht unendlich.
Des Weiteren ist unser Universum entgegen vorherrschender Meinungen nicht völlig
homogen und somit anisotrop. Mit anderen Worten, die Geometrie und die damit
verbundene Krümmung des Raums führen im Universum zu unterschiedlichen Expansionsraten,
wenngleich vom kosmischen Zeitstrahl im Zentrum aus betrachtet, es in alle Richtungen
aufgrund der Spiralgeometrien ähnlich strukturiert aussieht. Die zuvor erwähnten
Bahnkurven der Galaxien sind somit eingebettet im
Abb. 6: Die Galaxien eingebettet im
Spiralgalaxien tragen nicht ohne Grund diesen Namen, denn die in ihnen enthaltenen Massen spiralen Richtung Zentrum der Galaxie. Wobei sich jede Galaxie durch eine mitunter abweichende Anzahl von Spiralarmen und eine unterschiedliche Drehrichtung auszeichnen kann. Die Anordnung der Spiralarme, egal ob enganliegend oder weit gefächert, gibt Rückschlüsse auf den Gesamtdrehimpuls und in welcher Lebensphase sich eine solche Galaxie befindet.
Nun haben wir bei den Spiralkurven schon kennengelernt, das die Form einer Spirale von der Steigung und von der Krümmung abhängt. Beide Faktoren sind eng miteinander verknüpft und werden bei rotierenden Systemen vom Drehimpuls beeinflusst. Daher untersuchen wir als Nächstes die Spiralarme in einer Galaxie etwas genauer.
Jede Galaxie, die wir mithilfe von Teleskopen beobachten, ist im Raum geneigt. Das heißt, wir schauen nie lotrecht auf die Akkretionsscheibe, sondern immer unter einem individuellen Winkel. Um dies zu verdeutlichen, nehmen wir im Nachfolgenden die Whirlpool-Galaxie M51 als Grundlage, weil man an ihr sehr schön die Spiralarme erkennen kann. Um die Betrachtung nachvollziehen zu können, muss man jedoch über etwas räumliches Vorstellungsvermögen verfügen.
Abb. 7: Whirlpool Galaxy M51 (NGC 5194) (© NASA/JPL-Caltech)
Im ersten Schritt wird auf die ausgewählte Galaxie, in diesem Fall die Whirlpool-Galaxie, ein Koordinatenkreuz gezeichnet und anschließend ein konzentrischer Kreis projiziert, dessen Radius in etwa den maximalen Abmessungen der Galaxie entspricht.
Gleichzeitig zeichnen wir die erkennbare Anzahl der Spiralarme ein, in diesem Fall zwei. Als Grundlage für die Spiralarme dient generell die Logarithmische Spirale, wobei die Steigung und die Krümmung zunächst nur grob ausgerichtet werden.
Zusätzlich wird im Koordinatenursprung eine
Abb. 8: Ein konzentrischer Kreis mit zwei Spiralarmen.
Im zweiten Schritt drehen wir die Spiralkurven jetzt um den Koordinatenursprung
0, 0, in diesem Fall um ca. 15° gegen
den Uhrzeigersinn. Die
Abb. 9: Um die
Im dritten Schritt schwenken wir den Kreis mitsamt den Spiralarmen um die
Abb. 10: Um die
Durch diese Vorgehensweise, die sich übrigens auf jede beliebige Grafik übertragen lässt, erhält man einen Eindruck, wie die Spiralarme real aussehen, so als wenn man genau lotrecht auf die Galaxie schauen würde. Bezogen auf die Whirlpool-Galaxie beträgt der Schwenkwinkel um die x-Achse ca. 30°.
Wenn die Spiralarme nahezu deckungsgleich mit der Grafik sind, geben die Referenzwerte, die sich aus der Berechnung ergeben, Rückschlüsse auf den Gesamtdrehimpuls der jeweiligen Galaxie.
Im vierten Schritt könnte man die bereits gedrehte und geschwenkte Projektion
nochmals um die
Abb. 11: Um die
Durch die Schritte 1 bis 4 lässt sich auf diese Weise eine willkürlich im Raum angeordnete Galaxie, die aus irgendeinem Winkel fotografiert wurde, in die Ebene klappen. Die lotrechte Ansicht (Abb. 8) entspricht dann dem tatsächlichen Kurvenverlauf der Spiralarme.
Anschließend greifen wir einen dieser Spiralarme heraus und können diesen mit seinen Energiefeldern betrachten. Auch hier geben die imaginären Grenzlinien der einzelnen Potentiale Rückschlüsse auf die Rotationsenergie.
Abb. 12: Die Energiefelder in einer Galaxie.
Abb. 13: Der Drehimpuls innerhalb des Potentialtrichters.
Die Spiralkurven auf dem Blütenkorb einer Sonnenblume sind nichts anderes, wie die Spiralkurven in einer Galaxie. Als Grundlage dient immer die Logarithmische Spirale, wobei die Steigung k und damit die Krümmung der Bahnkurven in den jeweiligen Systemen unterschiedlich ist. Das hat im Wesentlichen damit zu tun, ob es sich um statische oder dynamische Strukturen handelt.
Abb. 14: Spiralmuster bei der Sonnenblume.
Die Polardarstellung der Logarithmischen Spirale ist definiert als:
k ist die Steigung der Spirale
Die Spirale lässt sich in kartesischen Koordinaten
Die Spirale umkreist den Ursprung unendlich oft, ohne ihn zu erreichen.
- Siehe Bereich: Wirbelstrukturen / Spiralkurven
⇨ Logarithmische Spirale
Wir beschreiben die Polardarstellung der Logarithmischen Spirale jetzt mithilfe der Naturkonstanten Φ und π:
π/10³ ist die Steigung der Spirale
Die Spirale lässt sich in kartesischen Koordinaten
Da die Steigung jetzt die Naturkonstante π beinhaltet, ergibt
sich ein Zusammenhang zum
Wenn sich ein System, wie zum Beispiel eine Galaxie um seinen Massenschwerpunkt dreht, spricht man von einem Drehimpuls. Der Drehimpuls ist eine vektorielle Größe, und wie das Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit ein sogenannter „Pseudovektor”. Das heißt, diese vektorielle Größe, behält bei einer Punktspiegelung des betrachteten physikalischen Systems ihre Richtung bei. Die Bahnkurve, die sich aus dem Verlauf der Spiralarme ergibt, beschreibt die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten innerhalb des Systems. Der Gesamtdrehimpuls kann somit in Einzeldrehimpulse aufgeteilt werden.
Der Drehimpuls eines Massenpunktes lässt sich als Vektorprodukt aus dem Ortsvektor und dem Impuls des Massenpunkts berechnen:
Wenn die nach innen gerichtete Kraft größer ist, als die an die Bahnkurve angreifende Tangentialkraft, werden die Masseteilchen nicht nur in Richtung des Zentrums gezogen, sondern sie beginnen ihrerseits ebenfalls zu rotieren. So erhalten wir zwangsläufig kleine Wirbel in einem großen Wirbel. Diese kleineren Wirbel können durchaus gegenläufig sein. Ähnlich wie bei einem Zahnradgetriebe, welches in einer Richtung aus immer kleiner werdenden Zahnrädern besteht, wird sich die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder entsprechend erhöhen.
- Siehe Bereich: Mechanik / Erhaltungssätze
⇨ Drehimpuls
Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass die Steigung der Bahnkurven im Wesentlichen konstant bleibt. Es kann aber durchaus sein, dass sich der Radius während der Rotation ständig ändert, wie z. B. bei einer Bahnellipse oder einer anders gearteten Bahnkurve.
Die Bahnkurve der Spiralarme verläuft grundsätzlich durch zahlreiche imaginäre Grenzlinien. Je enger diese Grenzlinien beieinanderliegen, desto energiereicher ist das Potential und desto größer ist die Geschwindigkeit der Masseteilchen in dem Potentialtrichter.
Das Wachstum eines Schneckenhauses oder eines Blütenkorbes, wie bei der Sonnenblume, läuft verhältnismäßig langsam ab. Was in dem einen Fall wenige Jahre dauert, beträgt im anderen Fall nur ein paar Monate. Je langsamer das Wachstum erfolgt, desto mehr nähert sich die Bahnkurve der Logarithmischen Spirale an. Diese Spirale bildet eine der Grenzlinien in unserem Geschwindigkeitsschaubild ab.
Abb. 15: Steigung der Geschwindigkeit ≤ π/10³.
Alles, was unterhalb dieser Grenzlinie liegt, lässt sich in den Bereich der Schwachen Kraft (Schwache Wechselwirkung) einordnen.
Abb. 16: Steigung der Geschwindigkeit ≤ π/10³.
Der überwiegende Bereich des Lebens spielt sich in der Region ab, dessen Steigung der Geschwindigkeiten zwischen der Logarithmischen Spirale und der Kosmos-Spirale liegt. Denn jede Struktur, egal ob Sonnenblume, Sonnensystem oder Galaxie erreicht immer nur eine maximal mögliche Größe.
Abb. 17: Steigung der Geschwindigkeit ≥ π/10³ und
Alles, was zwischen diesen beiden Grenzlinien liegt, lässt sich in den Bereich der Elektromagnetischen Kraft (Elektromagnetische Wechselwirkung) einordnen.
Abb. 18: Steigung der Geschwindigkeit ≥ π/10³ und
Alles, was außerhalb des „stabilen” Bereichs liegt, neigt dazu auseinander zu driften, und wird von anderen benachbarten Strukturen einverleibt. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich zwei Galaxien sehr nahe kommen und sich durch die Krümmung des Raums die Spiralarme an den Randzonen aufgefächert werden. Dadurch verändert sich die Steigung und Krümmung der Bahnkurve, sodass die Energie nicht mehr dem Gesamtdrehimpuls des Systems unterliegt und dementsprechend nach außen abgegeben wird.
Abb. 19: Steigung der Geschwindigkeit
Alles, was oberhalb der oberen Grenzlinie liegt, lässt sich in den Bereich der Starken Kraft (Starke Wechselwirkung) einordnen.
Abb. 20: Steigung der Geschwindigkeit
Der Drehimpuls der Whirlpool-Galaxie lässt sich ohne Weiteres in eines dieser Schaubilder übertragen. Wie nicht anders zu erwarten, tendiert die Steigung der Geschwindigkeit in die Nähe der Kosmos-Spirale.
Abb. 21: Die Steigung der Geschwindigkeit der Whirlpool-Galaxie liegt im Bereich > π/10³, und tendiert Richtung Kosmos-Spirale.
Bevor wir die Wirbelstrukturen in einer Galaxie noch genauer betrachten, möchten wir uns noch kurz ein Phänomen bei der Entstehung von Wirbeln anschauen.
Bei der oberflächlichen Betrachtung eines Wirbels könnte man davon ausgehen, dass die kleineren Wirbel im Innern alle in die gleiche Richtung rotieren. Experimente fördern jedoch Erstaunliches zutage.[1]
Zwei ineinander verschachtelte Wirbel können einen dritten Wirbel erzeugen, der sich in entgegengesetzter Richtung dreht. Das widerspricht der allgemeinen Auffassung, dass die Anzahl der Wirbel in einem turbulenten System mit der Zeit abnimmt. Man kann das Wirbelverhalten einer perfekten Flüssigkeit mittels einer Apparatur simulieren, die Elektronen in einem Magnetfeld gefangen hält.
Die mathematischen Gleichungen, die das Verhalten von Elektronen in einem Magnetfeld beschreiben, sind mit denen von Wirbeln in einer perfekten Flüssigkeit identisch. Dabei entspricht die Elektronendichte der Stärke des Wirbels. In realen Flüssigkeiten wird das Verhalten der Wirbel allerdings durch Reibungskräfte gestört.
Erzeugt man einen kleinen starken Wirbel innerhalb eines größeren schwächeren Wirbels, wobei sich beide in die gleiche Richtung drehen, wie das zum Beispiel auch in Galaxien oder Sonnensystemen der Fall ist, lässt sich beobachten, dass der kleine Wirbel ein wellenartiges Kräuseln auf dem Rand des äußeren Wirbels erzeugt. Dieses Kräuseln pflanzt sich auf dem Rand fort, wobei es sich vergrößert und sich schließlich selbst einholt.
Dabei entsteht ein „Wirbelloch”, welches sich wie ein umgekehrt drehender Wirbel verhält. Dieses Wirbelloch ermöglicht es dem kleinen Wirbel, Energie mit dem großen Wirbel auszutauschen. Im weiteren Verlauf zieht der kleine Wirbel dieses Wirbelloch weiter in das Innere des großen Wirbels. Dabei geht das gesamte System in ein chaotisches Verhalten über.
Interessanterweise spielt dieses Phänomen bei der Entstehung von Tornados innerhalb von Hurrikans eine Rolle. Ähnliches kann man auch bei dem Roten Fleck auf der Oberfläche des Planeten Jupiter beobachten.
Der Materiefluss strömt innerhalb eines Wirbels rein kreisförmig oder besser gesagt spiralförmig und zeitabhängig sowie instationär um das Wirbelzentrum. Die Viskosität zehrt die kinetische Energie des Wirbels mit der Zeit auf und die Strömungsgeschwindigkeit nimmt monoton mit der Zeit ab.
Allerdings verhält es sich in einem hyperbolischen Strömungsfluss etwas anders. Dort nimmt die Geschwindigkeit zu, weil sich die Materieteilchen den zunehmenden Scherkräften widersetzen.
Doch im Allgemeinen, zu Beginn der Bewegung oder im Grenzfall verschwindender Viskosität, ist der Wirbel ein Potentialwirbel. Ansonsten ist das Geschwindigkeitsprofil des Hamel-Oseenschen-Wirbels beschränkt und entspricht im Wirbelkern, sowie im Außenbereich einem Rankine-Wirbel.
- Siehe Bereich: Wirbelstrukturen / Wirbelarten
⇨ Rankine-Wirbel
Auch wenn man es nicht für möglich hält, aber der Materiefluss lässt sich sehr schön an einem Blütenkorb einer Sonnenblume nachvollziehen. Das beeindruckende Spiralmuster einer Sonnenblume, lässt sich ohne Weiteres auch auf eine Galaxie übertragen.
Abb. 22: Das Spiralmuster einer Sonnenblume.
Obwohl die Sonnenblume als
In einer bestimmten Lebensphase allerdings wird eine solche Struktur immer flacher, egal ob es sich dabei um einen Blütenkorb, die Ekliptik eines Sonnensystems oder die eine Galaxie handelt. Die ursprüngliche Kugelform, oder besser gesagt das Ellipsoid, wird sich aufgrund der Rotation und der damit verbundenen Fliehkräfte topologisch immer mehr zu einer räumlich flachen Scheibe ausbilden.
Abb. 23: Die linksläufigen und rechtsläufigen Wirbel, wie sie auch in einer Galaxie zu finden sind.
Gegenläufige Wirbel sind nicht nur charakteristisch für ein Fluid, egal ob es sich dabei um Wasser oder ein Medium aus Gas handelt. Auch der Materiefluss in einer Galaxie zeichnet sich durch ineinander verschachtelte Wirbelstrukturen aus, die sich kaskadisch fortpflanzen.
Dass sich diese Wirbelstrukturen in einer realen Galaxie nicht so einfach nachvollziehen lassen, hängt mit den unterschiedlichen anfänglichen Dichteverteilungen in einer Akkretionsscheibe zusammen. Obige Grafik zeigt die Wirbelstrukturen in einem homogenen Medium. Was hier flach dargestellt ist, sind in Wirklichkeit alles Ellipsoide, die kaskadisch angeordnet sind, und in das Zentrum eines rotierenden Systems hineinspiralen.
Vergrößert man den unteren, rechten Bereich, kann man sehr schön die wechselseitig angeordneten und gegenläufigen Wirbel erkennen, die sich auf diese Weise bis auf Molekülgröße in dem Medium fortpflanzen.
Abb. 23: Die linksläufigen und rechtsläufigen Wirbel in den Zwischenbereichen.
Innerhalb der Potentialfelder manifestieren sich schließlich die Wirbel zu Akkretionsscheiben und später zu Galaxien und zwar dort, wo die Wirbel die größte Energie haben. Die gesamte Materie innerhalb des Potentials wird quasi aufgesogen und zu einer Protogalaxie geformt.
Und während die Materie ins Zentrum spiralt, lässt sich eine Drift bei den Molekülen beobachten.
Abb. 24: Die Drift des Materieflusses.
Wie das im Detail aussieht, und wie sich daraus der Drehimpuls einer Galaxie ableiten lässt, wird in einem zukünftigen Kapitel näher betrachtet.
Eine weitere beeindruckende Galaxie ist unsere Nachbargalaxie, der Andromeda-Nebel, von der wir sehr viel über unsere Heimatgalaxie abzuleiten versuchen. Auch dazu künftig mehr.
Abb. 23: Andromeda Galaxie
Quellen
[1] Versuchsaufbau von Dan Durkin und Joel Fajans von der Universität von Kalifornien in Berkeley⇦ Kapitel Kapitel ⇨