Astro-Lexikon L 2

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Ein Laserleitstern (engl. laser guide star, LGS) ist ein von Menschenhand künstlich erzeugter Stern.

High-tech Zauberei

Das hört sich wie Science-Fiction an, ist aber Alltag in der modernen Präzisionsastronomie. Das Staunen klärt sich auf, wenn man bedenkt, dass nicht ein ganzer Stern aus Plasma erzeugt wird, sondern 'nur ein Lichtpunkt in der Hochatmosphäre.

Motivation zum Kunststern

Jeder Hobbyastronom, der schon einmal ein Teleskop mit Sucherfernrohr bedient hat weiß, dass ein heller Leitstern (engl. guide star) im Gesichtsfeld eine praktische Sache ist: Der Leitstern weist immer den Weg zum Objekt des Interesses und eignet sich bestens, um die Nachführung des Teleskops an ihm auszurichten. Profi-Astronomen machen es im Prinzip genauso, nur verwenden sie moderne adaptive Optiken (AO), d.h. mit einer ausgefeilten Technik können die Turbulenzen in der Atmosphäre herausgerechnet und ausgeglichen werden. Auch hier wird ein Leitstern benötigt, weil das 'helle, zappelnde Licht' gerade eine Referenz ist, die die Luftbewegungen verrät. Die leistungsfähige Software der AO stellt den 'hüpfenden Lichtpunkt' ständig scharf. Die Leitsternidee hat nur einen Haken: Es gibt nicht in jedem Beobachtungsfeld geeignete Leitsterne, die auch hell genug sind.

Die Lösung: Wir schießen uns einen Stern an den Himmel

Der Laserleitstern löst diese Problem sehr elegant: ein scharf gebündelter, gelber Laserstrahl regt eine Natriumschicht in 90 km Höhe zum Leuchten an. Genau dort entsteht ein kaum ausgedehnter Lichtpunkt, ein künstlicher Stern, der die Funktion eines Leitsterns übernehmen kann. Der Vorteil: Der Lichtpunkt kann in jedem beliebigen Gesichtsfeld erzeugt werden. Die Astronomen haben sich damit von natürlichen Leitsternen (engl. natural guide stars) emanzipiert.
Das Foto rechts zeigt gerade den Laserstrahl, der vom Unit Telescope Yepun herausgeschossen wird (Credit: Sylvain Oberti, ESO, 2006). Die Europäischen Südsternwarte (ESO) hat im Februar 2006 einen Laserleitstern installiert. Diesem Erfolg sind fünf Jahre Forschung an den MPIs für extraterrestrische Physik (MPE) sowie für Astronomie (MPIA) und bei der ESO vorausgegangen.
Das MPE entwickelte den Laser PARSEC, der kontinuierlich Licht der Wellenlänge 589 nm bei einigen Watt Leistung erzeugt. Das MPIA entwickelte das Gerät LIDAR, das zur präzisen Vermessung der atmosphärischen Natriumschicht eingesetzt wird. Das Laserleitsystem arbeitet in Kombination mit dem Spektrometer SINFONI im Nahinfrarot zusammen. So ist es besonders interessant, mit dem kompletten System die stellare Umgebung des supermassereichen Schwarzen Loches im Galaktischen Zentrum zu beobachten.
Diese moderne Laserleitstern-Technologie kam erstmals im Jahr 2004 am Keck-Teleskop auf Hawaii zum Einsatz.

Der Lense-Thirring-Effekt benennt lapidar gesagt das Phänomen, dass eine rotierende Masse alles in seiner Umgebung mitrotieren lässt, selbst den Raum und die Zeit!

Effekt von Einsteins Gravitationstheorie

Mit einiger Kenntnis der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) wird auch klar weshalb: rotierende Massen erzeugen ein rotierendes Gravitationsfeld in ihrer Umgebung. In der ART spricht man präzise von einer rotierenden Raumzeit. Die Symmetrien (siehe auch Isometrien) dieser Raumzeiten heißen Axialsymmetrie und Stationarität. Relativistisch gesehen ist die Umgebung rotierender Körper nicht statisch, sondern ein dynamisches Objekt. Raum und Zeit werden zum vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum, der Raumzeit, zusammengefasst. Dieses Gebilde dreht sich bei rotierenden Massen!

Wenn die Raumzeit zieht

Bewegt sich nun ein Testteilchen oder Licht in einer rotierende Raumzeit, so werden sie unweigerlich gezwungen mit zu rotieren. Aber nicht nur der Körper an sich rotiert, auch das Bezugssystem. Das kennzeichnet gerade den Lense-Thirring-Effekt. Er darf im Prinzip alternativ zum Fachbegriff Frame-Dragging verwendet werden. Frame-Dragging leitet sich aus dem Englischen ab von drag of inertial frames, also dem 'Mitziehen von Referenzsystemen / Inertialsystemen'. Was physikalisch passiert, lässt sich mit dem Gravitomagnetismus verstehen (siehe diesen Link für Einzelheiten). Durch die gravitomagnetischen Kräfte um ein rotierendes Schwarzes Loch kann ein charakteristisches Schwingungsverhalten angeregt werden. Die zugehörige Schwingungsfrequenz heißt Lense-Thirring-Frequenz. Dieser Lense-Thirring-Effekt wurde bereits 1918 von den beiden österreichischen Physikern Joseph Lense (1890 - 1985) und Hans Thirring (1888 - 1976) prognostiziert. Erst im Jahr 2004 ist es gelungen Frame-Dragging bei der rotierenden Erde experimentell zu belegen (Ciufolini & Pavlis, Nature 2004).

Das Experiment Gravity Probe-B

Der Lense-Thirring-Effekt war neben den Gravitationswellen eine derjenigen Vorhersagen der ART, die nicht direkt im Experiment beobachtet werden konnten. Deshalb wurde im April 2004 ein Satellitenexperiment namens Gravity Probe-B (GP-B) gestartet. Die Hauptaufgabe des Satelliten besteht darin, die Raumzeitkrümmung der Erde und den Lense-Thirring-Effekt mit Gyroskopen nachzuweisen.
Das Messprinzip beruht darauf, dass Kreisel durch die gekrümmte, rotierende Raumzeit der Erde beeinflusst werden und die Lage ihrer Drehachse verändern: sie präzedieren. Deshalb hat GP-B vier Gyroskope und ein Referenzteleskop an Bord. Die Gyroskope sind gerade Hochpräzisionskreisel. Sie bestehen aus heliumgekühlten, rotierenden Kugeln aus geschmolzenem Quarz. Das Referenzteleskop ist exakt auf den Stern IM Pegasi (HR8703) ausgerichtet. An den Polen zeigen die Drehachsen der Gyroskope auf den Referenzstern. Damit stellt der Satellit ein ideales Referenzsystem dar, um die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen. GP-B umkreist nun die Erde auf einer polaren Umlaufbahn in 400 Meilen Höhe. Nun ist die Erwartung, dass die Kreisel ihre Drehachse um einen winzigen Winkel kippen: Leonard Schiff von der Stanford Universität hatte bereits 1960 die Idee den Lense-Thirring-Effekt mit Gyroskopen auszumessen. Er berechnete, dass die Winkelabweichung eines Gyroskops bei GP-B aufgrund des Lense-Thirring-Effekts nach einem Jahr 42 Millibogensekunden (etwa zwölf Millionstel Grad) betragen müsse. Zum Vergleich: Unter diesem Winkel würde eine etwa 160 Meter durchmessende Fläche auf dem Mond erscheinen. Dieser winzige Effekt wird von der viel stärker ausfallenden geodätischen Präzession überlagert. Die geodätische Präzession wird von der Bewegung der Kreisel in der gekrümmten Raumzeit der Erde verursacht. Als Folge dessen präzedieren die Gyroskope an Bord von GP-B in der Bahnebene mit einer Winkelabweichung von 6.6 Bogensekunden (fast zwei tausendstel Grad) pro Jahr. Diese geodätische Präzession ist seit 1988 experimentell gesichert, denn in diesem Jahr konnte die geodätische Präzession des Erde-Mond-Systems beim Lauf um die Sonne radiointerferometrisch gemessen werden. GP-B ist ein hochempfindlicher Detektor und kann Winkel bis auf etwa eine Millibogensekunde genau auflösen. Damit sollte der Lense-Thirring-Effekt bis auf einen Prozent im Messfehler genau bestimmt werden können. Mit dem Vorgängersatelliten Gravity Probe-A ist es 1976 mittels einer Atomuhr gelungen, die Zeitdilatation der ART zu beweisen, also dass Massen den Ablauf der Zeit verlangsamen.

Laser-Experiment kam zuvor!

Zur Überraschung der Gravitationsforscher konnte das LAGEOS-Experiment dem Projekt GP-B den Rang im Jahr 2004 streitig machen! Das Experiment besteht aus den zwei LAGEOS-Satelliten (LAser GEOdetic Satellites), die Laserlicht reflektieren können. Die Strahlung kann über tausende von Kilometern noch zentimetergenau vermessen werden. Eigentlich dienten die Satelliten ganz anderen wissenschaftlichen Zwecken, doch es stellte sich heraus, dass sie auch als Gyroskop genutzt werden konnten. Denn die Satelliten folgen auf Geodäten der leicht gekrümmten und rotierenden Raumzeit der Erde. Die Verdrillung der Raumzeit konnte damit aus den LAGEOS-Laserdaten aus den Jahren 1993 bis 2003 abgeleitet werden. Ciufolini & Pavlis veröffentlichten im Oktober 2004 in einem Nature-Artikel ihren Fund, dass sie den Lense-Thirring-Effekt auf 99% genau (mit einem Messfehler von maximal ±10%) nachweisen konnten! Die ART prognostiziert für die speziellen Höhen der LAGEOS-Satelliten einen Lense-Thirring-Effekt von 48.2 Millibogensekunden pro Jahr; gemessen wurden 47.9 Millibogensekunden pro Jahr!
Für das Wissenschaftlerteam von GP-B war das sicherlich eine erschütternde Meldung: auch wenn GP-B den Effekt viel genauer vermessen wird, so werden sie nur die zweiten sein.

Weitere Informationen

• Originalpublikation: Ciufolini & Pavlis: A confirmation of the general relativistic prediction of the Lense-Thirring effect, Nature 431, 958, 2004
• Web: Homepage von Gravity Probe B: Die englischsprachige Seite bietet eine Fülle an Informationen zum Experiment und zur Allgemeinen Relativitätstheorie

Die Leptonen sind neben den Quarks nach dem Standardmodell der Elementarteilchen die Grundbausteine der Materie. Wie die Quarks auch sind sie punktförmige Objekte und weisen keine Substruktur auf. In der Quantenfeldtheorie beschreibt man diese Teilchen mit Wellenfunktionen.

Schwache Kraft zieht am Lepton

Der Begriff Lepton leitet sich vom griechischen Wort leptos ab, was im Deutschen soviel heißt, wie 'leicht, zart, fein'. Per definitionem unterliegen alle Leptonen nur der schwachen Wechselwirkung, aber nicht der starken Wechselwirkung.

Trio-Familie: e, μ, τ

Man kann die Leptonenfamilie in drei Generationen unterscheiden. Die erste Generation umfasst Elektron und Elektron-Neutrino. Die zweite Myon, das schwerer ist als das Elektron und Myon-Neutrino. Schließlich sind in der dritten Generation das schwerste Lepton (das sogar fast doppelt so schwer ist als das Proton!), das Tauon, und das zugehörige Tau-Neutrino. Den Neutrinos konnte in den Superkamikande-Experimenten in Japan eine endliche Ruhemasse nachgewiesen werden.
Alle Leptonen sind Fermionen, weil sie einen Teilchenspin von 1/2 haben. Demzufolge unterliegen sie dem Pauli-Verbot, ein Prinzip, dass zwei und mehr Fermionen verbietet in exakt demselben quantenmechanischen Zustand zu sein.

Massen und elektrische Ladungen der Leptonen

• Elektron: 510.998902 keV, -1 (in Einheiten der Elementarladung e)
• Elektron-Neutrino: 7 eV als Obergrenze, 0
• Myon: 105.658357 MeV, -1
• Myon-Neutrino: 300 keV als Obergrenze, 0
• Tauon: 1.77699 GeV, -1
• Tau-Neutrino: 30 MeV als Obergrenze, 0

(Quellen: CERN Homepage und Particle Physics Booklet, Juli 2002)

Auch ein Isospin schwächelt

Daneben gibt es weitere Quantenzahlen, deren vollständige Darstellung den Rahmen hier sprengen würde. Besonders wichtig ist allerdings noch der schwache Isospin, der eine übersichtliche Klassifikation von Quarks und Leptonen gestattet. In den drei obigen so genannten Generationen oder Familien kann man dann auch alle sechs Quarks unterbringen. Der schwache Isospins genügt ebenso wie der 'normale' Spin (Eigendrehimpuls), der Isospin der Nukleonen, der Bahndrehimpuls (Drehimpuls bezüglich eines Raumpunktes) und der Gesamtdrehimpuls einer Drehimpulsalgebra mit den wohl definierten Kommutatorrelationen eines Drehimpulses.

Rechts- und Linkshänder

Die Lösungen der Dirac-Gleichung der Quantenelektrodynamik sind linkshändige und rechtshändige Teilchen. Der gravierende Unterschied zwischen rechtshändigen und linkshändigen Teilchen ist, dass nur die linkshändigen an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen. Die Unterteilung gemäß ihrer Händigkeit (grch. cheir: Hand) nennt man Chiralität. Für masselose Teilchen stimmen Chiralität und Helizität überein. Die rechtshändigen Teilchen besitzen Helizität +1 und die linkshändigen Teilchen Helizität -1. Die linkshändigen Teilchen bilden ein so genanntes schwaches Isospindublett (schwacher Isospin 1/2) und unterscheiden sich nur in der dritten Komponente des Isospinvektors, der so genannten Isospinprojektion. Neben Elektron und Elektron-Neutrino sind demnach in der ersten Generation das up-Quark und das down-Quark (alle linkshändig), in der zweiten neben dem Myon und Myon-Neutrino das charm-Quark und das strange-Quark und schließlich in der dritten Generation befinden sich neben Tauon und Tau-Neutrino das bottom-Quark und das schwere top-Quark.
Die rechtshändigen Teilchen bilden ein schwaches Isospinsingulett (schwacher Isospin 0). Hier befinden sich alle rechtshändigen Pendants zu den obigen linkshändigen Teilchen, auch die Neutrinos! Die Messungen am Super-Kamiokande im Japan haben 1998 belegt, dass Neutrinos eine Masse haben. Damit gibt es sie sowohl als links- als auch als rechtshändige Teilchen!

Opas, Papas & Söhne bei den Leptonen

Eine experimentelle Verifikation der Anzahl der Lepton-Generationen bietet die Breite der Z-Resonanz. Das Z bezieht sich dabei auf das neutrale Eichboson der schwachen Wechselwirkung, Z⁰, das das schwerste Vektorboson der schwachen Wechselwirkung ist und auch als neutraler Strom bezeichnet wird.
Die DELPHI-Kollaboration am CERN hat die Z-Resonanz bei der Hadronenproduktion in Elektron-Positron-Stößen vermessen. Es folgt, und zwar unabhängig vom Standardmodell, dass es drei Generationen geben muss! Eine vierte ist mit 95%iger Sicherheit ausgeschlossen!
Die enge Verwandtschaft von Elektron, Myon und Tauon und deren gleiche elektrische Ladung lässt faszinierende, neue Materieformen zu: So ist es möglich ein Myon-Atom herzustellen, wo nicht Elektronen, sondern Myonen den Kern 'umkreisen'. Die Herstellung ist natürlich aufwendig und Myon-Atome sind recht kurzlebig. Außerdem ist eine industrielle Anwendung dieser Materieform nicht gefunden worden.

Die Leptonen-Ära kennzeichnet eine bestimmte Entwicklungsphase im frühen Universum. In der Kosmologie folgt sie auf die Hadronen-Ära, die sich ihrerseits an die Quark-Ära anschließt.

kleiner geht's nicht

Leptonen sind elementare Bausteine der Materie. Gemäß des Standardmodells der Teilchenphysik ist Materie aus Quarks und Leptonen zusammengesetzt. Elementar bedeutet, dass diese Teilchen nicht weiter zerlegbar sind. Sie haben - nach allem, was die Physiker heute wissen - keinerlei Substruktur. Das Elektron ist sicherlich das bekannteste Lepton. Doch auch sein Antiteilchen, das Positron, sowie die Myonen, Tauonen und Neutrinos sind leptonisch. Leptonen spüren sich über alle fundamentalen Naturkräfte, nur nicht über die starke Wechselwirkung, weil sie farbneutral sind.

Bezug zur Kosmologie

Die Leptonen-Ära kennzeichnet nun ein Entwicklungsstadium des Kosmos, wo die Leptonen dominiert haben. Die Dominanz rührt daher, weil die Antihadronen, die Antiteilchen der Hadronen, infolge der Materie-Antimaterie-Vernichtung am Ende der GUT-Ära verschwunden waren. Zeitlich wird die Leptonen-Ära zwischen 10^-5 Sekunden und einer Sekunde nach dem Urknall eingeordnet. Die Temperatur betrug etwa 10¹⁰ Kelvin. Auf die Leptonen-Ära folgt eine Phase, wo die Strahlung dominiert hat, die Strahlungsära.

Leptoquarks sind gebundene Zustände aus Leptonen und Quarks. Solche Teilchen wurden bislang nicht gesichert in Experimenten nachgewiesen. Am HERA-Collider des deutschen Teilchenbeschleunigers DESY wurden Protonen und Elektronen (auch Positronen) mit hohen Energien auf Kollisionskurs gebracht. Es ist nicht klar, ob bei der Fusion von Elektronen mit Quarks Leptoquarks mit einer Masse um 200 GeV entstanden sind.

Ohne Leptoquarks keine Menschen

Es muss allerdings Leptoquarks geben, unsere Existenz ist ein Beleg dafür! In einer frühen Phase des Universums, am Ende der GUT-Ära, zerfielen besonders schwere Leptoquarks in Quarks und Leptonen. Dabei bildete sich eine ungleiche Menge an Materie und Antimaterie aus. Als sich die Materie mit der zur Verfügung stehenden Antimaterie zu Gammastrahlung vernichtete, war das Universum strahlungsdominiert. Doch in diesem 'Strahlenmeer' blieb ein kleiner Rest Materie übrig! Diese als Baryogenese bezeichnete Phase lieferte die Saat für die Sterne und Galaxien.

Argumente sind GUT

Dieses Szenario legt zumindest die moderne Physik nahe: Im Rahmen der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) leiten sich zwölf neue Austauschteilchen ab, die gerade zu besonders schweren Leptoquarks zählen. Es handelt sich um superschwere (etwa 10¹⁶ GeV!), elektrisch und schwach geladene sowie farbgeladene Teilchen. Als Vektorbosonen haben sie Spin 1. Man unterscheidet sie in sechs X-Bosonen und sechs Y-Bosonen. X-Bosonen haben 4/3 Elementarladung, Anti-X-Bosonen entsprechend -4/3, Y-Bosonen 1/3 und Anti-Y-Bosonen -1/3 Elementarladung. Auf die 12 Leptoquarks der GUT kommt man, wenn man davon ausgeht, dass jedes X-Boson die Farbladung rot, grün oder blau annehmen kann. Entsprechendes gilt für die Anti-X-Bosonen. Aber auch für die Y- sowie Anti-Y-Bosonen: 3 × 4 = 12.
Die GUT kann gruppentheoretisch im einfachsten Fall als SU(5)-Gruppe beschrieben werden. SU(5) ist gerade das direkte Produkt aus der U(1) der Quantenelektrodynamik, der SU(2) der Schwachen Wechselwirkung und der SU(3) der Quantenchromodynamik. Gemäß den Regeln der Gruppentheorie hat eine SU(n)-Theorie n² - 1 Erzeugende (Generatoren), die mit den Eichbosonen der Theorie identifiziert werden. 5² - 1 ergibt 24. Die 24 Eichbosonen der GUT setzen sich aus den wohl verifizierten 12 des Standardmodells (ein Photon, drei Weakonen, acht Gluonen) und eben den 12 weiteren X- und Y-Bosonen zusammen. In der GUT-Ära waren alle 24 Austauschteilchen ununterscheidbar und konstituierten gerade die X-Kraft.

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© Andreas Müller, August 2007

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