Was bedeutet interstellar: Definition und Bedeutung

Interstellar stammt aus dem Lateinischen und bedeutet übersetzt „zwischen den Sternen“. Der interstellare Raum ist demnach, jene Materie – welche sich zwischen den Sternen befindet.

Herkunft und Verwendung

Das Wort interstellar setzt sich aus dem lateinischen Wort „inter“ für „zwischen“ und dem Wort „stella“ für „Stern“ zusammen. Interstellar stammt aus den 1620er Jahren und wurde erstmals in den 1670er Jahren zur Beschreibung der modernen Astronomie verwendet.

Was verbindet man heute mit interstellar?

Das Sternbild des Orion, des Jägers, ist in einer klaren Winternacht am besten zu sehen. Eine Reihe von drei Sternen bildet seinen Gürtel. An seinem Gürtel hängt sein Schwert, eine kleinere Reihe mit drei schwächeren Sternen. Betrachtet man den mittleren Stern im Schwert mit einem Fernglas oder einem kleinen Teleskop, wird ein kleiner unscharfer Fleck aus interstellarem Gas und Staub sichtbar, der Orionnebel genannt wird.

Der Weltraum ist nicht leer. Die Materie im Raum zwischen den Sternen wird interstellare Materie oder interstellares Medium genannt. Das interstellare Medium besteht aus Ionen, Atomen und Molekülen von Gas- und Staubkörnern. Es ist sowohl in Wolken konzentriert als auch zwischen den Sternen und den Wolken verteilt. Das interstellare Medium ist so dünn, dass man es auf der Erde als Vakuum bezeichnen könnte, aber es spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Galaxie. Sterne werden aus dem interstellaren Medium geboren, und wenn Sterne sterben, wird ein Teil ihres Materials wieder in das interstellare Medium zurückgeführt.

Schlüsselbegriffe, um den interstellaren Raum zu beschreiben

• Dunkle Wolke – Staubwolke, die das Licht der dahinter liegenden Sterne blockiert.
• HI-Region – eine Wolke aus neutralem Wasserstoff.
• HII-Region – Eine Wolke aus ionisiertem Wasserstoff.
• Interstellares Medium – Die Materie zwischen den Sternen.
• Molekülwolke – Eine interstellare Wolke aus Molekülen.
• Nebel – Eine interstellare Wolke aus Gas und/oder Staub.
• Reflexionsnebel – Eine Staubwolke, die durch reflektiertes Sternenlicht leuchtet.

Beispiele zur Verwendung des Attributs interstellar

• Interstellar ist ein Adjektiv, das sich auf den Raum zwischen den Sternen bezieht. Astronomen (Wissenschaftler, die Sterne, Planeten und alles, was mit dem Weltraum zu tun hat, untersuchen) verfolgen seit langem Objekte, die sich interstellar bewegen.
• In letzter Zeit haben die Astronomen ein Auge auf einen interstellaren Besucher unseres Sonnensystems geworfen. Der Fremdkörper trägt den Namen ‚Oumuamua, ein hawaiianisches Wort, das einen Boten oder Späher aus der Vergangenheit bezeichnet. Das Objekt ist der erste interstellare Asteroid, der jemals beobachtet und eindeutig identifiziert wurde. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass er bei einer heftigen Kollision mit einem anderen interstellaren Objekt irgendwann in der fernen Vergangenheit aus der Bahn geworfen wurde.
• Nach Ansicht der Astronomen wird der interstellare Asteroid noch Milliarden oder sogar Hunderte von Milliarden Jahren durch unser Sonnensystem rotieren und taumeln.
• Obwohl ‚Oumuamua der erste interstellare Asteroid ist, der von Wissenschaftlern beobachtet wurde, werden dank neuer Technologien, die die Stärke und Leistung von Weltraumteleskopen verbessert haben, mit Sicherheit noch weitere Entdeckungen von fernen interstellaren Objekten auf ihrem Weg durch unser Sonnensystem gemacht werden.

Zitate

„Viele Science-Fiction-Filme handeln von fernen Zeiten und Orten. Unerschrockene Schürfer im Asteroidengürtel. Interstellare Epen. Galaktische Imperien. Reisen in die ferne Vergangenheit oder Zukunft.“

(Edward M. Lerner)

„Der Weltraum bietet keine Möglichkeit, den Problemen der Erde zu entkommen. Und selbst mit nuklearem Treibstoff übersteigt die Transitzeit zu nahen Sternen ein Menschenleben. Interstellares Reisen ist daher meiner Meinung nach ein Unternehmen für Post-Menschen, die sich nicht durch natürliche Selektion, sondern durch Design aus unserer Spezies entwickelt haben.“

(Martin Rees)

Aus welchen Bestandteilen besteht das interstellare Medium?

Das interstellare Medium lässt sich grob in Gas- und Staubkomponenten unterteilen. Die durchschnittliche Dichte des interstellaren Gases beträgt etwa ein Wasserstoffatom pro Kubikzentimeter. Diese Dichte kann jedoch für die verschiedenen Komponenten des interstellaren Gases erheblich variieren.

Zu den Komponenten des interstellaren Gases gehören: kalte atomare Gaswolken, warmes atomares Gas, das koronale Gas, HII-Regionen (ein Raumvolumen, in dem sich Wasserstoff [H] in einem ionisierten Zustand und nicht in seinem üblichen neutralen Zustand befindet) und Molekülwolken. Die meisten Atome im Weltraum sind Wasserstoff, etwa 90 %. Die restlichen Atome sind Helium (9 %) und alle anderen Elemente, die das restliche 1 % ausmachen.

Gas als Bestandteil des interstellaren Raums

Die kalten, atomaren Gaswolken bestehen hauptsächlich aus neutralen Wasserstoffatomen. Astronomen bezeichnen die neutralen Wasserstoffatome als HI, weshalb diese Wolken auch HI-Regionen genannt werden. Diese Gaswolken haben eine Dichte von 10 bis 50 Atomen pro Kubikzentimeter und eine Temperatur von 50 bis 100 K (-369,4 bis -279,4°F [-223 bis -173°C]). Sie können einen Durchmesser von bis zu 30 Lichtjahren haben (ein Lichtjahr ist die Entfernung im Vakuum, die das Licht in einem Jahr zurücklegt) und enthalten etwa die 1.000-fache Masse der Sonne.

Das warme Atomgas ist viel diffuser als das kalte Atomgas. Seine Dichte beträgt im Durchschnitt nur ein Atom pro zehn oder mehr Kubikzentimetern. Die Temperatur ist viel wärmer und kann zwischen 3.000 und 6.000 K (4.940,6 bis 10.340,6°F [2.727 bis 5.727°C]) liegen.

Wie die kalten Atomwolken besteht auch das warme Atomgas hauptsächlich aus neutralem Wasserstoff. Sowohl im warmen als auch im kalten Atomgas bestehen 90 % der Atome aus Wasserstoff, aber auch andere Atomsorten sind in ihrer normalen kosmischen Häufigkeit beigemischt. Das atomare Gas macht etwa die Hälfte der Masse und des Volumens des interstellaren Mediums aus. Das warme diffuse Gas ist zwischen den Klumpen der kalten Gaswolken verteilt.

Das koronale Gas hat seinen Namen aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Korona der Sonne, der äußersten Schicht der Sonne. Das koronale Gas ist wie die Sonnenkorona sehr heiß und diffus. Die durchschnittliche Temperatur und Dichte des koronalen Gases liegen bei etwa 99.727°C (1.799.541°F) bzw. einem Atom pro 1.000 Kubikzentimeter. Das koronale Gas wird höchstwahrscheinlich durch Supernovaexplosionen in der Galaxie erhitzt. Aufgrund der hohen Temperatur sind die Wasserstoffatome ionisiert, was bedeutet, dass die Elektronen aus den Kernen entwichen sind.

Astronomen bezeichnen ionisierten Wasserstoff oft als HII, HII-Regionen sind also Wolken aus ionisiertem Wasserstoff. HII-Regionen haben Temperaturen von etwa 9.727°C (17.541°F) und Dichten von einigen tausend Atomen pro Kubikzentimeter. Diese HII-Regionen sind im Allgemeinen mit Regionen der Sternentstehung verbunden.

Neu entstandene Sterne sind noch von den Gas- und Staubwolken umgeben, aus denen sie entstanden sind. Die heißesten und massereichsten Sterne emittieren beträchtliche Mengen an ultraviolettem Licht, das genug Energie hat, um die Elektronen aus den Wasserstoffatomen herauszuschlagen. Um diese Sterne herum bildet sich eine ionisierte HII-Region. Wie bei den anderen Atomwolken bestehen 90 % der Atome in HII-Regionen aus Wasserstoff, aber auch andere Atome sind vorhanden. Diese anderen Atomsorten werden ebenfalls in unterschiedlichem Maße ionisiert.

Die ionisierten Atome emittieren sichtbares Licht, so dass viele HII-Regionen in kleinen Teleskopen zu sehen sind und sehr schön aussehen. Der Orionnebel zum Beispiel ist das nächstgelegene Beispiel für eine leuchtende HII-Region, die von neu entstandenen Sternen aufgeheizt wird. Diese HII-Regionen werden auch als Emissionsnebel bezeichnet. Auch Molekülwolken sind mit der Sternentstehung verbunden. Riesige Molekülwolken haben eine Temperatur von unter -223 °C (-369,4 °F), können aber mehrere tausend Moleküle pro Kubikzentimeter enthalten. Sie können bis zu 100 Lichtjahre groß sein und enthalten typischerweise die 100.000-fache Masse der Sonne.

Diese Wolken erscheinen dunkel, weil sie das Licht der Sterne hinter ihnen blockieren. Die massereichsten enthalten bis zum 10-Millionenfachen der Sonnenmasse. Ungefähr die Hälfte der Masse des interstellaren Mediums befindet sich in Molekülwolken. Wie beim Atomgas handelt es sich bei den meisten Molekülen um Wasserstoffmoleküle, die jedoch nur schwer zu erkennen sind. Molekülwolken werden daher meist als Kohlenmonoxidwolken (CO-Wolken) kartiert, da das CO-Molekül mit einem Radioteleskop leicht zu erkennen ist.

Bisher wurden in Molekülwolken mehr als 80 verschiedene Arten von Molekülen gefunden, darunter auch einige mäßig komplexe organische Moleküle. Die am häufigsten vorkommenden Moleküle sind die einfachsten, die nur zwei Atome enthalten. Dazu gehören molekularer Wasserstoff (H2), etwas Kohlenmonoxid (CO), das Hydroxylradikal (OH) und Schwefelkohlenstoff (CS), gefolgt von dem häufigsten Molekül mit drei Atomen, Wasser (H2O). Komplexere Arten sind relativ selten. Es wurden jedoch Moleküle mit bis zu 13 Atomen identifiziert, und es werden sogar noch größere Arten vermutet.

Wie können sich all diese Moleküle im interstellaren Raum bilden? Damit sich Moleküle bilden können, müssen die Atome dicht beieinander liegen. Selbst in den dichtesten interstellaren Wolken sind die Atome zu weit voneinander entfernt.
Wie können sie sich nahekommen? Die Details sind kaum bekannt, aber Astronomen glauben, dass Staubkörner eine entscheidende Rolle in der interstellaren Chemie spielen, insbesondere für so wichtige Arten wie molekularen Wasserstoff. Die Atome auf der Oberfläche der Staubkörner können sich nahe genug kommen, um Moleküle zu bilden.

Sobald sich die Moleküle gebildet haben, haften sie nicht mehr so gut an den Staubkörnern wie die Atome, so dass sie die Oberfläche des Staubkorns verlassen.

Staub als weiterer Bestandteil des interstellaren Raums

Neben Gas ist der Staub der zweite Hauptbestandteil der interstellaren Materie. Staubkörner durchdringen das gesamte interstellare Medium, in Wolken und zwischen ihnen. Interstellare Staubkörner haben in der Regel einen Radius von weniger als einem Millionstel eines Meters. Ihre Zusammensetzung ist nicht genau bekannt, aber wahrscheinlich bestehen sie aus Silikaten, Eis, Kohlenstoff und Eisen.

Die Silikate haben eine ähnliche Zusammensetzung wie die Silikatgesteine auf dem Mond und im Erdmantel. Die Eisschichten können Kohlendioxid-, Methan- und Ammoniakeis sowie Wassereis enthalten. Die Astronomen gehen davon aus, dass die typische Kornzusammensetzung ein Silikatkern mit einem eisigen Mantel ist, aber auch reine Kohlenstoffkörner können vorhanden sein.

Staub existiert in diffuser Form im gesamten interstellaren Medium. In dieser diffusen Form nimmt jedes Staubkorn typischerweise das Volumen eines Würfels von der Länge eines Fußballfeldes auf jeder Seite ein (eine Million Kubikmeter). Astronomen erkennen diesen diffusen interstellaren Staub an der Auslöschung und Rötung des Sternenlichts. Die Staubkörner blockieren das Sternenlicht, was zu einer Extinktion führt, und sie blockieren auch bevorzugt blaues Licht gegenüber rotem Licht, was eine Rötung bewirkt. Die Sterne erscheinen daher röter als sie sonst erscheinen würden. Diese Auslöschung und Rötung ist vergleichbar mit dem Effekt, der Sonnenuntergänge rot erscheinen lässt, insbesondere über einer Stadt mit Smog.

Astronomen können Staubkörner in dichten Regionen, d. h. in interstellaren Wolken, direkter sehen. Zwei Arten von Wolken, die die Auswirkungen von Staub zeigen, sind Dunkelwolken und Reflexionsnebel. Astronomen erkennen Dunkelwolken an ihrer Wirkung auf Hintergrundsterne. Sie blockieren das Licht der Sterne hinter der Wolke, so dass ein Bereich des Himmels mit sehr wenigen Sternen zu sehen ist.

Reflexionsnebel sind Staubwolken, die sich in der Nähe eines Sterns oder mehrerer Sterne befinden. Sie leuchten mit dem reflektierten Licht der nahen Sterne und sind blau, weil die Körner selektiv blaues Licht reflektieren.

Die Bedeutung des interstellaren Mediums

Neutrale Wasserstoffatome im interstellaren Medium emittieren Radiowellen mit einer Wellenlänge von 8 Zoll (21 cm). Die Untersuchung dieser 8-in (21-cm)-Emission ist nicht nur für die Erforschung des interstellaren Mediums wichtig. Die Kartierung der Verteilung dieses interstellaren Wasserstoffs hat den Wissenschaftlern die spiralförmige Struktur der Milchstraße gezeigt. Sie hat auch gezeigt, dass etwa 3 % der Milchstraße aus interstellarem Gas und 1 % aus interstellarem Staub bestehen.

Das interstellare Medium ist eng mit den Sternen verwoben. Sterne entstehen durch den Kollaps von Gas und Staub in Molekülwolken. Das übrig gebliebene Gas um neu entstandene massereiche Sterne bildet die HII-Regionen. Zu verschiedenen Zeiten geben Sterne Material an das interstellare Medium zurück. Diese Rückführung kann sanft in Form von Sternwinden oder heftig in Form einer Supernova-Explosion erfolgen. Die Supernovae sind eine besonders wichtige Form des Recyclings im interstellaren Medium.

Das von Supernovas recycelte Material ist angereichert mit schweren Elementen, die durch Kernfusion im Stern und in der Supernova selbst erzeugt werden. Mit der Zeit nimmt der Anteil der schweren Elemente in der Zusammensetzung des interstellaren Mediums und der aus dem interstellaren Medium gebildeten Sterne langsam zu. Das interstellare Medium spielt daher eine wichtige Rolle bei der chemischen Entwicklung der Galaxie.

Bei der dunklen Materie handelt es sich um interstellares Material im Universum, das nicht leuchtet, d. h. das kein Licht aussendet oder reflektiert und daher unsichtbar ist. Alles, was man durch ein Teleskop sieht, ist sichtbar, weil es entweder Licht aussendet oder reflektiert; Sterne, Nebel und Galaxien sind Beispiele für leuchtende Objekte. Allerdings scheint die leuchtende Materie nur einen kleinen Teil der gesamten Materie im Universum auszumachen, vielleicht nur ein paar Prozent. Der Rest der Materie ist kalt, dunkel und dem direkten Blick verborgen.

Die Identität der dunklen Materie des Universums ist unter Physikern nach wie vor umstritten. Dank der Beobachtungen des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA, des Hubble-Weltraumteleskops, des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte und der optischen Magellan-Teleskope weiß man, dass es dunkle Materie gibt. Die Astronomen wissen jedoch nicht, woraus die dunkle Materie besteht. In den meisten Vorschlägen wird die dunkle Materie als Teil der interstellaren Materie betrachtet. Zum Beispiel, subatomare Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind, durchdringen das Universum in sehr großer Zahl.

Im Jahr 1998 wiesen Astronomen nach, dass sie eine geringe Masse haben, und beendeten damit einen jahrzehntelangen Streit unter Physikern darüber, ob sie masselos sind. Heute geht man davon aus, dass die Masse jedes Neutrinos so gering ist, dass Neutrinos höchstens ein Fünftel der dunklen Materie im Universum ausmachen können. Andere Forschungen zeigen jedoch, dass Teilchen einer unbekannten Art, die allgemein als Wimps (schwach wechselwirkende massive Teilchen) bezeichnet werden, den Raum um Galaxien durchdringen können. Möglicherweise werden sie durch die Schwerkraft in Wolken zusammengehalten. Was auch immer die dunkle Materie ausmacht, ist noch umstritten.

Seit langem geht man davon aus, dass die dunkle Materie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Schicksals des Universums spielt. Die akzeptierteste Theorie über den Ursprung und die Entwicklung des Universums ist die Urknalltheorie, die eine elegante Erklärung für die gut dokumentierte Expansion des Universums liefert.

Eine Frage ist, ob sich das Universum ewig ausdehnen wird, angetrieben durch die Kraft des Urknalls, oder ob es irgendwann aufhört, sich auszudehnen, und beginnt, sich unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenzuziehen, so wie ein Ball, der in die Luft geworfen wird, sich schließlich umdreht und nach unten fällt. Der entscheidende Faktor ist die Menge der Masse im Universum: Je mehr Masse, desto größer die Gesamtgravitation.

Seit etwa 1995 gibt es eindeutige wissenschaftliche Beweise dafür, dass sich die Expansion des Universums keineswegs verlangsamt, sondern beschleunigt. Wenn sich dieses Ergebnis bestätigt, was bis Oktober 2006 noch nicht der Fall war, dann ist das Schicksal des Universums endlich definitiv bekannt: Es wird sich für immer ausdehnen und dabei dunkler, kälter und diffuser werden.

Um die beobachtete Beschleunigung zu erklären, haben Physiker eine dunkle Energie postuliert, deren Ursprung noch immer rätselhaft ist und die das Universum durchdringt und dazu beiträgt, die Dinge auseinander zu treiben, anstatt sie zusammenzuhalten. Da Energie (auch dunkle Energie) und Materie austauschbar sind, könnte sich ein Teil der dunklen Materie des Universums als gar keine Materie, sondern als Energie herausstellen.