Edward Purcell (1979) - The Interstellar Medium

Die Galaxie, in der wir leben, besteht überwiegend aus Sternen. Tatsächlich hat sich etwa 90 % der Materie in der Galaxie zu Sternen zusammengefunden. Mein Thema heute Morgen sind die restlichen 10 %, das Zeug zwischen den Sternen. Wäre ich ein richtiger Astronom, würde ich vermutlich zögern, über so ein weit gefächertes Thema zu sprechen, aber ich spreche darüber als Physiker, der irgendwie über dieses Thema gestolpert ist und die dafür relevante Physik äußerst faszinierend fand. Und der auch einige ungelöste Probleme fand, auf die die Physik immer noch angewendet werden konnte. Daher möchte ich Ihnen einen sehr allgemeinen Einblick in das interstellare Medium geben, Sie in ein paar, nur ein paar der sehr speziellen physikalischen Probleme einführen, die immer noch faszinierend und ungelöst sind. Und dann werde ich versuchen, Ihnen ein paar der, zumindest meiner Meinung nach, großen Probleme vorzustellen, an denen noch gearbeitet werden muss, ich erwähne sie in der Hoffnung, dass einige der jüngeren Leute hier, finden werden…, in Versuchung geraten werden, ihren eigenen physikalischen Scharfsinn und ihre Phantasie auf diese Gebiete zu richten. Nun, in unserer Galaxie können wir natürlich, aus zahlreichen Gründen, von denen einige gleich klar werden, die Struktur der Galaxie nicht erkennen. Wir können in einer Untersuchung wie dieser aber immer damit anfangen, uns so zu betrachten, als wären wir in einer anderen Galaxie. Und wenn ich jetzt die erste Folie bekommen könnte… Könnte jemand das Licht ausmachen und die erste Folie zeigen? So könnte unsere Galaxie aussehen. Das ist eine Ansicht, die viele von Ihnen schon gesehen haben. Könnten Sie das Licht hier oben auch ausmachen, bitte. Nächste Folie, bitte. Das sollte Ihre Aufmerksamkeit wecken und das hat auch geklappt! Nun, dies ist eine große Spiralgalaxie, ganz ähnlich der unsrigen, das ist Messier 81, ungefähr die Größe unserer Galaxie, ungefähr genauso viele Sterne, nämlich 1,5 mal 10^11. Und sie ist ungefähr 30 Millionen Lichtjahre entfernt. Wenn wir das wären, wären wir ungefähr hier. Beachten Sie bitte diese dunklen Flecken hier drinnen, die in Wirklichkeit durch interstellaren Staub verdunkelt sind. Das ist eines der Themen, auf die ich nachher noch kommen werde. Nun, das interstellare Medium, sagen wir, wenn wir mit Radio-Augen sehen könnten, nicht das sichtbare Licht, sondern, sagen wir im Radiobereich, wären die Sterne hier überhaupt nicht hell, und wir sähen das Ganze hier mit einem sanft leuchtenden Gas gefüllt. Das interstellare Medium, also alles, außer den Sternen, besteht hauptsächlich aus Folgendem. Nächste Folie, bitte. Hier sehen Sie unsere Galaxie, eine sehr schematische Darstellung, ihr Durchmesser beträgt etwa 10^23 Zentimeter, obwohl die Ränder natürlich etwas schwer zu definieren sind. Und wir sprechen über das Gas, das ungefähr 10 % der Masse ausmacht, das entspricht etwa 10^10 Sonnenmassen. Meistens natürlich Wasserstoff und Helium. Und etwa 90 % davon ist ziemlich kalt. Neutraler Wasserstoff und neutrales Helium. Dann gibt es noch ein wenig festes Material, das in mancher Hinsicht äußerst interessant für uns ist. Elektromagnetische Wellen, sowohl Sternenlicht als auch die allgegenwärtige Mikrowellenstrahlung, die Prof. Dirac gerade erwähnt hat. Kosmische Strahlung und Magnetfelder. Nun, dieses Medium ist äußerst leer, ich versuche, das auf der nächsten Folie zu zeigen. Nächste Folie, bitte. Die Leere der Galaxie lässt sich auf zwei Arten darstellen; hier sind einige Sterne, die typische Größe eines Sterns beträgt 10^11 Zentimeter, und der nächste Stern ist ungefähr 10^19 Zentimeter weit weg, ein paar Lichtjahre, vielleicht 10. Das Gas zwischen den Sternen ist, erstaunlicherweise, beinahe genauso leer. Hier ist ein Wasserstoffatom im interstellaren Gas, das nächste Wasserstoffatom ist etwa einen Zentimeter entfernt, tatsächlich gibt es normalerweise nur wenige Atome pro Kubikzentimeter. Und das Verhältnis vom Durchmesser davon zur Entfernung ist erneut ein Faktor von 10^8. Tatsächlich glaube ich, dass dies Zufall ist. Ich glaube nicht, dass in der Übereinstimmung dieser beiden Faktoren etwas Entscheidendes verborgen liegt. Die Galaxie ist so leer, dass es bei einem Zusammenstoß von zwei Galaxien, die durcheinander hindurch glitten, kaum…, es wäre wahrscheinlich, aber nicht sehr wahrscheinlich, dass ein Stern in der ganzen Galaxie auf einen Stern in der anderen Galaxie träfe. Wenn Sie eine gerade Linie durch die Galaxie zögen, ist die Wahrscheinlichkeit, einen Stern zu treffen, außerordentlich winzig, etwa im Bereich 10^-12. Und dennoch geht in dieser Leere eine Menge vor sich, wie wir nun zu erklären versuchen werden. Die nächste Folie zeigt die elektromagnetische Strahlung in der Galaxie. Hier ist eine Funktion der Wellenlängen in Zentimetern dargestellt. Dies ist das Sternenlicht und es ist in einem solchen Maßstab dargestellt, dass der Darstellungsbereich wirklich Energie repräsentiert. Diese beiden Formen elektromagnetischer Strahlung, das Sternenlicht hier und der von Penzias und Wilson entdeckte Mikrowellenhintergrund, haben ungefähr die gleiche Energiedichte, nämlich ein paar Mal 10^-13 Ergs pro Kubikzentimeter. Aber wir erinnern uns, dass dies nur unsere eigene Galaxie ist, das ist örtlich begrenzt. Das ist überall, nimmt eine Million Mal mehr Raum ein, in Bezug auf die Energiedichte im gesamten Universum gibt es millionen Mal mehr davon als das hier. Wenn ich in die Nähe eines hellen Sterns komme, sieht das natürlich anders aus. Ich gehe von einem typischen Ort zwischen den Sternen aus, und einige von Ihnen erkennen hier vielleicht ein paar Merkmale, die ich eingezeichnet habe. Da ist Lyman-alpha, der aus dem Spektrum heraussticht, und da ist, glaube ich, H-alpha dort oben, während wir hier drüben, so viel wir wissen, das einer Temperatur von 2,8° angemessene Schwarzkörperspektrum sehen, das Professor Dirac erwähnte. Obwohl es jetzt durch jüngste Experimente in Berkley einige Anhaltspunkte dafür gibt, dass es doch nicht so genau passt, und dass es einen kleinen Überschuss in der Mitte des Spektrums gibt, was uns vielleicht etwas sagen möchte. Nun, die Energie hier möchte ich erwähnen, die Leute stellen sich das Mikrowellenspektrum immer als extrem schwach und sehr schwer zu erkennen vor. Daher ist Folgendes eine überraschende, aber wahre Aussage. Für alle Wellenlängen oberhalb von ein paar Millimetern gilt, dass die Erde mehr Strahlung in dieser Form abbekommt, als direkte Sonnenstrahlung. Ich überlasse es den Studenten, dies als Übung nachzuprüfen. Nun, die nächste Folie vergleicht einige dieser Substanzen in ihrer Energiedichte. Nur um auf einen eher generellen Punkt hinzuweisen, der wäre, wenn wir die mittlere Energiedichte von Sternenlicht, kosmischen Mikrowellen, Magnetfeldern, kosmischen Strahlungspartikeln im Gas betrachten, liegt diese erstaunlicherweise bei allen im Bereich von 10^-13, 10^-12 Ergs pro Kubikzentimeter. Dabei habe ich, wenn ich das behaupte, bereits stillschweigend einen Wert für das Magnetfeld angenommen, und in Kürze werde ich erläutern, was wir über die Stärke des Magnetfeldes wissen. Ein Teil dieser Gleichheit ist ohne Frage der gleichen Verteilung geschuldet, da das Magnetfeld und das Gas und die kosmischen Strahlungspartikel aneinander gekoppelt sind, und die Energiedichte, die einem Druck entspricht, drückt lediglich die dynamische Wechselwirkung aus. Andere Übereinstimmungen müssen dabei als zufällig angesehen werden. Gehen wir jetzt zurück und unterhalten uns ein wenig über das Gas. Was wir über das kalte Gas wissen wird überwiegend durch seine Beobachtung im Mikrowellenspektrum bestimmt und die nächste Folie erinnert Sie daran, wie das geschieht, unter Verwendung der von neutralem atomaren Wasserstoff im Hyperfeinniveau des Grundzustands abgegebenen Strahlung. Zur Energieänderung gehört eine Umkehr der relativen Ausrichtung des magnetischen Moments des Elektrons und des magnetischen Moments des Protons. Und diese bekannte Frequenz, 1420 MHz, wird vom gesamten kalten Wasserstoff in der Galaxie abgestrahlt. Eine interstellare Wasserstoffwolke kann daher an ihrer Emission dieser elektromagnetischen Strahlung mit 21 cm Wellenlänge identifiziert werden. Nun, seit 25 Jahren verwenden Astronomen, Radio-Astronomen, diese Erkenntnis und haben nach und nach ein Bild unserer Galaxie zusammengesetzt. Sie sind dazu in der Lage, weil die Galaxie als Ganzes für diese Strahlung vollständig transparent ist, wohingegen sie dies, wie wir sehen werden, bei sichtbarem Licht nicht ist. Und daher haben wir galaktische Karten, von denen ich auf der nächsten Folie ein neueres Beispiel zeige. Nächste Folie, bitte. Dies ist eine zusammengesetzte Karte basierend auf den Messungen von Kerr und … und anderen. Sie zeigt unseren Standort etwa dreißig tausend Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt und wir schauen jetzt die galaktische Ebene entlang, und von diesen nimmt man an, dass sie die Orte des Wasserstoffs repräsentieren und sie zeigen uns, dass wir tatsächlich in einer Spirale, einer Spiralgalaxie, leben. Ich muss aber sagen, dass dies kein ordentliches Bild ist, und eigentlich ist es jetzt weniger ordentlich als am Anfang. Die tatsächliche Verteilung des Gases ist so kompliziert, dass der Standort der Spiralarme usw. durch diese indirekte Methode wirklich sehr unsicher ist. Und tatsächlich gibt man zu, dass er jetzt unsicherer ist als man zu Beginn der 21-cm-Astronomie geglaubt hatte. Daher setze ich wirklich nicht allzu viel Vertrauen…, ich würde nicht gerne da raus gehen und Ihnen garantieren, dass man einen dieser Arme findet, wenn man dort ankommt. Die Situation, wie so oft in der Astronomie, ist viel komplizierter als es auf den ersten Blick schien. Darüber hinaus ist das Gas sehr klumpig und in Wolken verteilt. Und es geht eine Menge vor sich. Nun, es gibt noch eine andere Methode, das Gas von der Erde aus zu untersuchen, nämlich, indem man die Absorption in der Atmosphäre vermeidet und in den Orbit geht. Und vieles von dem, was wir jetzt über das interstellare Gas erfahren, stammt von Teleskopen in der Erdumlaufbahn, insbesondere vom Copernicus-Teleskop, das von Professor Spitzer aus Princeton und anderen betrieben und konzipiert wurde. Und auf der nächsten Folie zeige ich Ihnen das erste Debut des Copernicus-Teleskops, das jetzt seit mehreren Jahren wunderbare Beobachtungen macht und immer noch prima funktioniert. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen Spektrographen im UV-Bereich, der die stellare Strahlung beobachtet, die uns auf der Erde nie erreicht. Und auf der nächsten Folie sehen Sie ein Spektrum. Nächste Folie, bitte. Dies ist eines von Hunderten von Spektren, die vom Copernicus-Teleskop aufgenommen wurden…, wir sehen einen besonders hellen Stern, … als Quelle ultravioletter Strahlung, und vor dem Stern erkennen wir die Absorption bestimmter Wellenlängen durch das interstellare Gas. Die besondere Bedeutung dieser Beobachtungen ist auf dieser Folie hervorgehoben, wenn wir uns die Spitzen anschauen, bei denen es sich um Absorptionen durch den molekularen Wasserstoff H2 und hier drüben eigentlich durch das HD-Molekül handelt, da das H2-Molekül leider keine von der Erde aus erkennbare Strahlung oder Absorption aufweist. Es wurde zuerst im UV-Bereich beobachtet, tatsächlich stellen diese Beobachtungen die ersten wirklich fruchtbaren Beobachtungen des molekularen Wasserstoffs dar, der, wie sich herausstellt, ein sehr wichtiger Bestandteil des Gases ist. Auf diese Art misst man auch die Häufigkeit anderer Elemente, man hat z.B. bereits herausgefunden, dass Elemente wie Magnesium, Silizium, Eisen im Gas abnehmen, soll heißen, man sieht wesentlich weniger dieser Elemente als man auf der Grundlage des allgemein relativ häufigen Vorkommens dieser Elemente erwarten würde. Dies ist bereits ein Hinweis auf die Dinge, die wir erfahren werden, wenn wir über den interstellaren Staub sprechen. Nun, so viel zu den gasförmigsten Bestandteilen, jetzt möchte ich weitermachen und ein bisschen über den interstellaren Staub sprechen, der, das kann ich Ihnen versprechen, mehr Aufmerksamkeit in meiner Rede erhalten wird, als er vielleicht sollte, denn genau er ist Teil der Sache, die mich am Anfang faszinierte, und bis zu einem gewissen Grad bin ich immer noch dabei, mich mit bestimmten Problemen zu befassen, die der interstellare Staub aufwirft. Lassen Sie mich zuerst ein wenig interstellaren Staub auf der nächsten Folie zeigen. Dies ist ein wunderschönes, astronomisches Objekt namens Trifidnebel im Sternbild Schütze, auf einem der Fotos des berühmten Schmidt, 16 Schmidt(-Teleskops), und diese dunklen Wolken hier drinnen, in diesem Nebel, die das Licht des sehr hellen Sterns in der Mitte verdunkeln, sind Staubwolken aus buchstäblich festen Partikeln mit mehr oder weniger der Größe von Staub oder Zigarettenrauch oder so etwas in der Art. Nun, es ist der Staub, der uns den Blick auf unsere eigene Galaxie verdunkelt. Es gibt so viel davon, dass wir, wenn wir versuchen, in Richtung Zentrum der Galaxie zu schauen, dieses gar nicht sehen können, es ist, als würde man durch eine große Nebelwand schauen. Die nächste Folie zeigt, wie dies meine Aussage hervorhebt, dass sich der Wasserstoff in Wolken befindet, der Staub ist mit dem Gas verbunden und generell gilt, wo man das Gas findet, findet man auch den Staub. Und so, wenn man das Alles zu einer kleineren Wolke zusammenpresst, die dunkler und weniger transparent ist, obwohl es sich um denselben Anteil an Staub handelt, sodass sich eine typische Wolke ergibt, in der sich der meiste Wasserstoff befindet, in Wolken wie dieser, die Wolke hat vielleicht zwanzig Atome pro Kubikzentimeter. Ihre Temperatur, das Thermometer vor Ort würde so um die 70° Kelvin anzeigen. Das Sternenlicht könnte mit ein wenig Absorption hindurch gelangen. Vielleicht 80% davon kämen auf der anderen Seite wieder heraus. Wenn ich die Wolke auf diese Größe zusammenpresse, erhalte ich eine Wolke, durch die das Sternenlicht nicht hindurch kommt, sie hat jetzt zweitausend Atome pro Kubikzentimeter, sie ist ein wenig kälter und in genau solchen Wolken finden die meisten chemischen Reaktionen statt. Aus Gründen, die ganz offensichtlich werden, wenn wir darauf zurückkommen. Man nimmt auch an, dass es ein Zwischenwolkenmedium gibt, nun, es muss ein Zwischenwolkenmedium geben, wenn es Wolken gibt, und man nimmt an, dass dazwischen der Raum normalerweise sehr viel heißer ist, mit durchschnittlich vielleicht nur einem Bruchteil eines Atoms pro Kubikzentimeter. Nebenbei wollte ich noch anmerken, als wir darüber sprachen, wie leer die Galaxie, das Gas, ist, dass ein Wasserstoffatom bei dieser Dichte ungefähr alle 30 Jahre mit einem anderen Wasserstoffatom kollidiert. Es bewegt sich auf gerader Linie, absolut gerader Linie, trifft nach 30 Jahren erneut auf ein anderes Wasserstoffatom, legt zwischen den Zusammenstößen in etwa die Entfernung der Erdumlaufbahn zurück. Es ist genau diese seltsame Situation, die ein Physiker, ein Laborphysiker, faszinierend finden muss, denn die eigenen Instinkte sind absolut unzuverlässig, wenn es solche Situationen gibt. Nun, wie führen wir eine quantitative Messung zum Verlöschen des Lichts durch? Die nächste Folie erläutert das sehr schnell. Die Astronomen suchen sich dazu zwei Sterne, die sich, wie andere Untersuchungen bereits ergeben haben, stark ähneln, einer davon nicht verdunkelt, der andere durch Wolken verdunkelt. Der Effekt der Verdunkelung ist, natürlich, eine Abschwächung des Lichts, aber auch eine Rotfärbung. Tatsächlich haben die Staubwolken in der Galaxie genau denselben Effekt wie die Staubwolken auf der Erde, sie färben den Sonnenuntergang rot. Dazu absorbieren sie das blaue Licht effektiver als das rote Licht. Und die nächste Folie zeigt, wie diese Information tatsächlich dargestellt und analysiert wird. Hier habe ich gegen die Wellenlänge in logarithmischem Maßstab, Wellenlänge in Mikrometern, etwas aufgetragen, das sich Extinktion nennt. Wenn dieser Wert hoch ist, bedeutet dies, dass das Licht absorbiert wird, kümmern Sie sich nicht darum, wie das genau definiert wird. Und hier sehen wir die Extinktion als Funktion der Wellenlänge, der unsichtbare, der gesamte Bereich des sichtbaren Spektrums breitet sich hier aus, sodass man, wenn man nur diese Information hätte, nicht sehr viel wüsste. Dennoch muss ich sagen, bemühte man sich sehr, für diese Kurve ziemlich ausgeklügelte Theorien zu finden, die drei oder vier anpassbare Konstanten hatten, und es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, dass diese Theorien in der Lage waren, die Kurve zu erklären. Aufgrund des Ausflugs in den Weltraum und des UV-Teleskops kam die blaue Kurve dort oben mit diesem verdächtigen Buckel bei etwa zweitausend Ångström dazu. Die tatsächliche Herkunft dieses Buckels können wir noch nicht erklären, aber er will uns sicherlich etwas sagen. Im Infrarotbereich gibt es ein paar sehr interessante Ausschnitte des Spektrums, die bereits dahingehend interpretiert werden, dass der Staub zumindest teilweise aus Silikaten besteht. Nun, wie viel Staub gibt es überhaupt? Es stellt sich heraus, dass dies eine Frage ist, die wir mit ziemlicher Sicherheit beantworten können. Die nächste Folie gibt davon einen Eindruck. Wenn man die ganze Galaxie, sagen wir, in einer großen Scheibe wie dieser nähme, die Galaxie, und ein großes Stück Blattpapier darunter hielte, dann sehen Sie hier die Staubmenge, die man auf dieses Stück Papier ausfällen könnte, aber ich zeige Ihnen, wie das aussähe. Es sähe so aus, wenn ich ein Stück weißes Papier nehme und einen weichen Bleistift und das Papier leicht grau anfärbe, so sähe das Papier unter der Galaxie aus. Andererseits, wenn ich versuchen würde, von Rand zu Rand durch die Galaxie zu sehen, durch den ganzen Staub, würde es so aussehen. Und darum können wir das Zentrum der Galaxie nicht sehen, im sichtbaren Licht. Andererseits, wenn wir in den Infrarotbereich gehen oder noch weiter in den Radiobereich, wird die ganze Galaxie sichtbar, und so lernen Leute heutzutage eine ganze Menge über das eigentliche Zentrum der Galaxie, wo eine Menge vor sich geht, wo es eine enorme Konzentration an Masse gibt. Nun, woraus der Staub besteht ist eine andere Frage. Könnte ich die nächste Folie bekommen? Wir wissen nicht genau, was der Staub eigentlich ist, aber wenn wir heute raten müssten, und ich wette darauf, ich denke, es ist sehr sicher, dass ein Großteil davon, oder zumindest ein Teil davon in Form von Silikaten vorliegt, höchst wahrscheinlich etwas Graphit und den Rest könnte man als schmutziges Eis bezeichnen. Wobei Eis sehr allgemein zu verstehen ist, nicht nur aus H2O, sondern auch aus NH3 und CH4. Diese häufig vorkommenden Elemente, kondensierbar, sind vermutlich zu finden. Es gibt auch noch viele andere Vermutungen, manche eher exotisch. Manche glauben, dieser Staub bestünde teilweise, oder größtenteils aus Polymeren, sogar Zellulose wurde als Bestandteil vermutet, aber dass es dort Silikate und Graphit und schmutziges Eis gibt, darum kommt man, glaube ich, kaum herum. Aber abgesehen davon wissen wir sehr wenig. Tatsächlich wissen wir merkwürdigerweise zwei Dinge über den Staub mit ziemlicher Sicherheit, das eine ist seine Gesamtmenge, auf die ich bereits hingewiesen habe, und für die Physiker unter Ihnen, lassen Sie mich anmerken, dass man die Gesamtmenge so genau herausbekommt, indem man die Kramers-Kronig-Relation auf die Dämpfungskurve anwendet. Zum anderen kennen wir die Temperatur des Staubs ziemlich genau. Wir wissen, wie hoch sie sein muss, und die nächste Folie zeigt, warum wir dazu eine Aussage machen können. Das ist ein netter Punkt der Grundlagenphysik, den ich meinen Studenten gerne erläutere. Hätte man ein großes, schwarzes Objekt draußen im Weltraum, würde dieses das Sternenlicht absorbieren und dann müsste sich durch Abstrahlen der entsprechenden Temperatur ein Gleichgewicht einstellen, und wenn Sie das durchrechnen, finden Sie heraus, dass sich die Temperatur bei etwa 3° Kelvin einpendeln würde. Ein bisschen höher, denn, natürlich, steht es auch mit der Mikrowellenstrahlung bei 2,8° in Wechselwirkung. Ein Staubkorn kann jedoch nicht schwarz sein, denn dieses Ding strahlt im Millimeter-Wellenlängenbereich, und ein Staubkorn, das nur 10^-4 Zentimeter groß ist, stellt eine extrem schlechte Antenne dar. Radiotechniker wissen natürlich, dass man keine gute Antenne für Langwellen in einem kurzem Raum herstellen kann, was bedeutet, das Staubkorn muss heiß werden, und eine meiner besten Berechnungen ist, man findet heraus, dass es so zwischen 10 und 20° Kelvin erreicht, und das ist eine Tatsache zum Staub, von der ich glaube, dass ich darauf eine ziemlich hohe Summe wetten würde. Der Staub ist in vielerlei Hinsicht von Bedeutung, aber eine der interessantesten ist, dass er den Hauptkatalysator der interstellaren Chemie darstellt, auf die ich jetzt mit ein paar Worten kommen möchte. Die nächste Folie zeigt die wichtigste chemische Reaktion, nämlich die Bildung molekularen Wasserstoffs aus atomarem Wasserstoff. Befände sich das gesamte System im chemischen Gleichgewicht, gäbe es trotz des geringen Drucks aufgrund der geringen Temperatur nur molekularen Wasserstoff. Aber damit sich molekularer Wasserstoff bilden kann, muss man bei jedem Zusammentreffen zweier Wasserstoffatome 4 Volt Energie loswerden, und das ist schlichtweg unmöglich. Unter Normaldruck im Labor wäre das in einer Kollision aus drei Körpern möglich, aber im interstellaren Gas kommt so was praktisch nie vor. Mit „praktisch nie“ meine ich, dass in einem Raum von der Größe dieser Halle im interstellaren Gas nicht eine solche Kollision während der Lebensdauer des Universums stattfinden würde. Das funktioniert also nicht. Diese Reaktion wird durch ein Ereignis katalysiert, bei dem ein Wasserstoffatom auf ein Staubkorn trifft, daran kleben bleibt, vielleicht herumwandert, über die Oberfläche tunnelt, gehalten von Van-der-Waals-Kräften. Ein weiteres Wasserstoffatom bleibt kleben, die zwei kommen zusammen, und dann haben sie keine Schwierigkeiten ein Wasserstoffmolekül zu bilden, das davon schwebt. Das ist die Hauptreaktion der interstellaren Chemie. Von da an ändert sich das Bild, denn gibt es erst einmal molekularen Wasserstoff und eine Quelle ultravioletten Lichts oder Ionisation wie etwa kosmische Strahlung, dann, das haben eine Reihe von Leuten, insbesondere mein Kollege in Harvard, William Klemperer, der Chemiker, hat gezeigt, dass dann auch die anderen Reaktionen stattfinden, in Form von Ionen-Molekül-Reaktionen, genau dort im Gas, und auf diese Art kann er die Bildung der außergewöhnlich hohen Zahl von Molekülen erklären, die Radio-Astronomen bereits gefunden haben. Die nächste Folie enthält eine Liste, gut, keine Liste, denn ich wollte nicht alles reinschreiben, aber die interstellaren Moleküle, von denen etwa 50 bereits gefunden wurden, beinahe alle, mit Ausnahme von HD2 und HD, durch die Radioastronomie, Spektrum im Millimeter- und Zentimeterbereich, angefangen bei HD, dem Radikal OH, H2O und Kohlenmonoxid, das ein äußerst wichtiger Indikator und weit verbreitet ist, und dann durch jede Menge anderer, deren Namen aufgelistet sind. Dann schließlich bis hinunter zum Ethanol, das Sie kennen. Kurz vor meiner Abreise habe ich noch einen Experten diesbezüglich angerufen, um ihn zu fragen, was denn das größte Molekül sei, das bisher gefunden wurde. Und er sagte mir, dass sei HC9N, bei dem Namen dafür bin ich mit nicht ganz sicher, es war, glaube ich, Cyanooctatetrayne. Jetzt fällt Ihnen auf, dass alle diese Moleküle, die ich hier aufgeführt habe, tatsächlich jedes einzelne, das ich hier aufnehmen würde, asymmetrische Moleküle sind. Es sind Moleküle mit einem elektrischen, gut, mit Ausnahme des Wasserstoffs, sind das alles Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment, was einfach daran liegt, dass sie, damit man sie sehen kann, damit sie Radiowellen in einem Rotationsspektrum abstrahlen können, diesen (Dipolmoment) haben müssen. Es gibt, glaube ich, absolut keinen Zweifel daran, dass die symmetrischen Äquivalente all dieser Moleküle, also HC9H zum Beispiel, ebenfalls vorkommen. Das ist also nur ein kleiner Ausschnitt der sehr umfangreichen Palette an chemischen Verbindungen da draußen, und weiß der Himmel wie weit nach oben die Skala größenmäßig bei unseren Entdeckungen noch geht. In dunklen Wolken werden die chemischen Reaktionen vor allem aufgrund von Ionisation durch kosmische Strahlung in Gang gehalten, da das ultraviolette Licht nicht eindringen kann; und dunkle Wolken bieten ansonsten einen schönen Anblick. Lassen Sie mich jetzt kurz auf das magnetische Feld zurückkommen, es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass es ein großes Magnetfeld, interstellar, in der Galaxie gibt. Ich erwähne nur eine Methode, mit der das Magnetfeld direkt gemessen werden kann. Nächste Folie, bitte. Mithilfe der Eigenschaften eines Pulsars, der polarisierte Strahlungspulse aussendet, und im Radiofrequenzbereich lassen sich zwei Dinge messen. Gibt es ein Magnetfeld im Raum entlang der Richtung, in der sich die Strahlung ausbreitet, und gibt es Elektronen da draußen, und die gibt es, ich hätte erwähnen sollen, dass selbst das kalte interstellare Gas leicht ionisiert ist, dann ist der Faraday-Effekt am Werk, der die Ebene der Polarisation um einen Betrag rotieren lässt, der von der Stärke des Magnetfeldes und der Dichte der Elektronen integriert über den Weg abhängt. Auf der anderen Seite bringen die Elektronen auch verschiedene Frequenzen dazu, sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auszubreiten, nämlich Dispersion. Und wenn man beachtet, dass die Pulsankunftszeit von der Frequenz abhängt, in der man beobachtet, kann man die Dispersion bestimmen und die hängt vom Integral der Anzahl der Elektronen ab. Hat man also diese beiden Dinge bestimmt und ist alles gleichförmig, dann teilen Sie dieses Ergebnis durch jenes Ergebnis und Sie erhalten sehr direkt die Stärke des Magnetfeldes entlang unserer Sichtlinie. Damit, mit der Pulsanzahl, der außergewöhnlich hohen Anzahl an bekannten Pulsaren, kann man eine Aussage über die Richtung und Stärke des Feldes machen. Die nächste Folie ist ein Diagramm, ich werden nicht viel Zeit darauf verwenden, vom neuen Book of Manchester, in dem das gemacht wurde, und diese Kreise beziehen sich alle auf einen bestimmten Pulsar. Das auf die gerade beschriebene Weise gemessene Magnetfeld, sie ballen sich hier in der galaktischen Ebene zusammen, denn dies sind die galaktischen Koordinaten, und ein Plus hier bedeutet, ein Feld weist in unsere Richtung und eine Lücke bedeutet, das Feld weist von uns weg. Und die Größe der Kreise ist so gewählt, dass dies ein mikroGal ist, aber lassen Sie mich erwähnen, dass das Magnetfeld, interstellare Magnetfeld der größeren Art, im Allgemeinen in der Größenordnung von ein paar mikroGal Stärke liegt. Das ist die Zahl, die ich auf dieser Folie mit der Energiedichte angenommen habe. Nun, es gibt noch einen anderen Beweis für ein interstellares Feld, der seit langem bekannt ist, tatsächlich seit beinahe dreißig Jahren, mit dem ich mich gerne noch etwas, ein paar weitere Minuten, beschäftigen möchte. Und das ist die bemerkenswerte Tatsache, dass der interstellare Staub in der Lage zu sein scheint, das Sternenlicht zu polarisieren. Auf der nächsten Folie zeige ich Ihnen das Hauptbeobachtungsmaterial. Tut mir leid, diese Folie ist eine, die uns zeigt, wie das Magnetfeld in unsere Nachbarschaft beschaffen ist, ich sagte ein paar mikroGal. Wenn das die Sonne ist, glauben wir heute, dass das Magnetfeld in unserer generellen Nachbarschaft, das ist das Zentrum der Galaxie da unten, in diese Richtung weist. Ich bin nicht sicher, was diese Richtung, auf welcher Seite der Galaxie ich mich befinde, vielleicht diese Richtung für einen Astronomen, aber egal, es weist entlang, im Großen und Ganzen entlang des Spiralarms, in dem wir leben. OK, nächste Folie, bitte. Das ist eine Grund…, vergessen Sie das Zeug hier unten, betrachten Sie nur den oberen Teil, der eine Darstellung mit den Koordinaten der Galaxie wiedergibt, hier ist die galaktische Ebene, die klar rundum geht, 360°. Jeder dieser kleinen Striche ist die Beobachtung eines Sterns an dieser Position, in der sich das Sternenlicht als leicht linear polarisiert herausstellte. Die Polarisierung hat nichts mit dem Stern an sich zu tun, sie wird durch das intervenierende Medium verursacht, als nähme jemand ein Blatt Polaroidpapier und hielte es vor den, zwischen Sie und den Stern. Und die Richtung davon zeigt die Richtung der Polarisation und die Länge der Linie sagt etwas über seine Stärke aus, die nicht riesig ist, normalerweise ein oder zwei Prozent, aber immer noch sehr deutlich. Und jetzt bemerken Sie hier, man kommt kaum darum herum, es zu bemerken, dass diese hier alle auf systematische Weise ausgerichtet sind. Hier weisen sie so ziemlich in alle Richtungen, hier erneut, sind sie ausgerichtet. Ich nenne das hier gerne das „Eisenspänebild“, denn, wie Sie wissen, haben wir alle mal in der Grundlagenphysik Eisenspäne um einen Magneten herum verstreut, um die Kraftlinien sichtbar zu machen, ich kenne die deutsche Entsprechung für „Filings“ nicht, ich weiß nicht, wie Sie das nennen würden. Aber es gibt wirklich keinen Zweifel, dass dies uns die Struktur eines großen Magnetfeldes zeigt. Wie es uns das genau zeigt, ist dagegen ein wenig schwerer zu erklären. Hier sehen Sie, wie wir die Polarisation des Sternenlichts durch den Staub im Magnetfeld erklären. Nächste Folie. Der Stern, und das ist unpolarisiertes Licht, es vibriert sowohl in die eine als auch in die andere Richtung, dieses Licht kommt zu uns und durchquert dabei vielleicht eine Wolke Staubkörner. Wenn es aus der Staubwolke herauskommt, wurde eine dieser Komponenten stärker als die andere absorbiert, sodass es bei uns als polarisiertes Licht ankommt. Und wirklich stellt sich heraus, dass…, wenn das Licht einen Vektor wie diesen aufweist, ist das die Richtung des Magnetfeldes. Die vermutliche Erklärung ist Folgende: Die Staubpartikel sind sicherlich nicht kugelförmig, sie könnten sich nicht so verhalten, wären sie kugelig. Lassen Sie uns annehmen, dass sie eher längliche Gebilde sind, obwohl ich nicht wirklich den Unterschied zwischen länglich und flockig nennen kann. Und diese werden irgendwie dazu gebracht, sich quer am Magnetfeld auszurichten. Sodass, wenn das Magnetfeld so verläuft, diese durchschnittlich mehr Zeit senkrecht im Feld verbringen als parallel dazu. Nur auf sehr grobe mittlere Weise, will sagen, die Bewegung ist ziemlich irregulär, aber dennoch, hier greifen physikalische Gesetze, die diese Gebilde lokal nach dem Magnetfeld ausrichten. Und diese physikalischen Gesetze geben seit mindestens fünfundzwanzig Jahren Rätsel auf. Wir dachten lange, wir wüssten, wie das Ganze funktioniert, durch einen Vorschlag von Davis und Greenstein 1952/53, aber es sind immer noch einige Fragen offen. Lassen Sie mich ganz kurz anreißen, wie das geht, ich möchte nicht auf die ganze Geschichte eingehen, nur so weit, um Ihnen zu zeigen, wie ein interessanter und uralter Teil der Physik nahe dem Ende wieder unerwartet zum Tragen kam. Die Ausrichtung dieser Gebilde im Magnetfeld lässt sich nicht erklären, indem man sie mit kleinen Eisenteilchen vergleicht, die sich wie ein Kompass ausrichten. Selbst wenn sie durch und durch magnetisch wären, würde das nicht funktionieren, denn das Feld ist zu schwach und der Beschuss durch andere Atome würde die Ausrichtung völlig zerstören. Die wirkende Physik ist viel subtiler und man nimmt an, dass daran ein Phänomen beteiligt ist, dass paramagnetische Relaxation genannt wird, es wird auf der nächsten Folie vorgestellt, mit der ich mich nur einen Augenblick beschäftigen möchte. Nun, tut mir leid, das muss jetzt sein, durch die Beschäftigung mit der Physik des Staubkorns möchte ich Ihnen zeigen, mit welcher Situation wir es zu tun haben und womit wir uns beschäftigen müssen. Wir nehmen an, dass die Staubkörner etwa zwei bis drei mal 10^-5 Zentimeter messen, das ergibt sich aus der Art ihre Verteilung und wie sie das Licht absorbieren. Das ist nicht absolut sicher. Die Temperatur des Staubkorns ist, wie wir wissen, niedrig, das Staubkorn ist umgeben vom Gas und jetzt gibt es eine Reihe von Zeitkonstanten im Problem. Wenn Sie ein Atom wären, träfen Sie alle 10^8 Jahre auf ein Korn. Das ist von einem gewissen Standpunkt aus tatsächlich eine kurze Zeit und sehr wichtig. Wenn Sie ein Staubkorn wären, würden Sie alle fünf Minuten von einem Atom getroffen. Sie werden etwa viermal so häufig von ultravioletter Strahlung getroffen. Das Korn jedoch befindet sich im Gas bei 100° Kelvin und führt die Brownsche Rotation aus, daher beträgt seine Energie vermutlich etwas wie kT, und das bedeutet, es rotiert mit 10^4 Umdrehungen pro Sekunde. Alle diese Zahlen sind natürlich nur Näherungen, alles andere als genau. Nun, hier kommt die Zeitkonstante, die das Problem beherrscht, aus Sicht der Physik, das ist die Zeit, in der die Staubkornbewegung durch das Gas gedämpft wird. Wenn ich mit hoher Geschwindigkeit ein Korn in das Gas werfe oder es rotieren lasse, trifft es auf ein Gas-Atom und wird allmählich abgebremst, ganz einfach nur wegen der Reibung. Die Zeit des Abbremsens beträgt ein paar hunderttausend Jahre. Wenn ich ein Korn rotieren lasse und weggehe und dann ein paar Hunderttausend Jahr später wiederkomme, hat es sich allmählich ein bisschen verlangsamt. Dadurch haben sehr kleine Wirkungen…, sehr kleine Ursachen große Wirkung. Nun, die nächste Folie zeigt eine andere interessante Form. Das Korn hat ohne Zweifel eine kleine elektrische Ladung, tatsächlich unterscheiden sich die Vorgänge, die dazu tendieren, es negativ aufzuladen, Einfangen von Elektronen, und es positiv aufzuladen, photoelektrische Emission, voneinander, es wäre unvernünftig, würden sie sich gegenseitig aufheben. Und wir nehmen an, die Staubkörner haben ein Potenzial in der Größenordnung von ein paar Zehntel Volt. Solch ein Korn ist genau wie ein geladenes Teilchen an das Magnetfeld gekoppelt, und wenn Sie die Periode für einen Zyklotronorbit berechnen, stellt sich heraus, dass sie nur 10^4 Jahre dauert. Der Punkt ist, dass dies kurz ist im Vergleich zu den Zeiträumen, die ich genannt habe, und daher, aufgrund des dynamischen Fortschritts sind die Körner wirksam an das Magnetfeld gebunden, genau wie es bei einem Ion der Fall wäre, und können lange Zeit nur parallel zum Feld und nicht quer geschoben werden. Nun, in dieser Situation zeigt die nächste Folie…, deutet auf die Vorstellung hin, dass, ich darf annehmen, dass das Korn paramagnetisch ist, denn das gesamte schmutzige Eis im Sonnensystem… im interstellaren Medium weist vermutlich ein paar Eisenatome auf und das ist alles, was ich brauche. Die Magnetisierung, paramagnetische Empfindlichkeit, ist, natürlich, komplex, es gibt einen Relaxationseffekt. Die Magnetisierung hinkt dem Feld hinterher und für ein rotierendes Staubkorn bedeutet das einen teuflischen..., es gibt einen Drehmoment, der die Rotation verlangsamt, eine Absorption der Energie aus dem rotierenden Feld. Und dieser Mechanismus, der auf eher indirekte Art wirkt, führt schließlich zu einer teilweisen Ausrichtung der Staubkornachse, wenn das Staubkorn nicht kugelig ist. Das ist ein sehr verworrenes Problem. Wir glauben die Dynamik dahinter jetzt zu verstehen, und als wir sie schließlich verstanden und verlässliche Berechnungen aller dynamischen Vorgänge hatten, stellte sich heraus, dass es tatsächlich immer noch Schwierigkeiten gab, da es nämlich scheinbar ein Magnetfeld braucht, das mindestens zehnmal so stark wie das angenommene ist, um die Ausrichtung erklären zu können. Und genau deshalb habe ich mich so lange mit diesem Problem beschäftigt. Ich hoffe, dass die Abhandlung, die ich nächsten Monat veröffentlichen werde, meine letzte zu diesem Thema sein wird, aber ich bin mir da nicht so sicher. Und ohnehin ist der Grund für diese letzte Abhandlung, dass einige physikalische Gesetze ins Spiel gekommen sind, von denen ich es nicht erwartet hätte, obwohl ich mich seit langer Zeit mit dem Thema befasse. Die Physik dahinter ist von zweierlei Art. Die nächste Folie…, könnte ich bitte die nächste Folie bekommen? Wenn ich ein…, das ist etwas, was wir vorher nicht berücksichtigt haben. Wenn ich ein asymmetrisches rotierendes Gebilde habe, keine Kugel, sondern ein komisches Gebilde, das um eine komische Achse rotiert, dann gibt es eine Quelle internen…, wenn es einen internen Verlust gibt, besteht der dynamische Effekt darin, die Rotation dazu zu bringen, sich nach der Hauptachse der Bewegung auszurichten. Es gibt zwei Arten internen Verlusts, beide haben wir bisher ausgelassen und lange Zeit ignoriert. Eine liegt einfach an der mangelhaften Elastizität fester Körper, dazu sage ich jetzt nichts weiter, außer dass uns dies dazu brachte, loszurennen und noch einmal die Literatur zu Festkörpern durchzublättern. Die andere ist die, von der ich dachte, dass einige von Ihnen darüber schmunzeln würden, die ich Barnett-Relaxation nenne. Ein Effekt, der, soweit ich weiß, niemals auch nur vorhergesagt, geschweige denn im Labor gemessen wurde, der mit dem sogenannten Barnett-Effekt zu tun hat. Auf der nächsten Folie, der Barnett-Effekt, die meisten von uns kennen den Einstein-de-Haas-Effekt besser. Ein sehr wichtiges Experiment, das von de Haas 1915 durchgeführt wurde, aber Einstein hat das Experiment vorgeschlagen. Das Experiment ist ganz einfach. Sie nehmen einen nicht magnetischen Eisenstab und hängen ihn so auf, dass er sich drehen kann, sie magnetisieren ihn plötzlich und stellen fest, dass er sich zu drehen beginnt. Das liegt daran, dass Sie die Elektronenspins ausgerichtet haben, wie wir heute sagen würden, und die Erhaltung des Drehimpulses bedeutet, dass sich der ganze Stab drehen muss. Es ist ein wichtiges Experiment, denn es gibt uns die Möglichkeit, den fundamentalen g-Faktor von, was immer es auch sein mag, das den Magnetismus verursacht, zu messen, was wirklich ein Schlüsselexperiment war. Der Barnett-Effekt ist die Umkehrung, nämlich wenn ich rotieren lasse…, wenn ich einen frei rotierenden Stab habe, wird dieser magnetisiert, wenn er Spins in sich hat, denn es ist energetisch günstiger, einige der Spins auszurichten und diesen Drehimpuls aus dem ganzen Rotationskörper herauszunehmen. Zu meiner Überraschung erfuhr ich von…, ich kannte natürlich diese beiden Effekte, ich hatte aber mehr über den Einstein-de-Haas-Effekt gehört und war überrascht als ich in der Literatur letztes Jahr feststellte, dass Barnett sein Experiment zuerst durchgeführt hatte. Tatsächlich führte er es ein Jahr vor Einstein-de-Haas durch und nicht nur das: Er erhielt die richtige Antwort. Denn einer der bemerkenswerten Aspekte der Einstein-de-Haas-Geschichte ist, dass sie bei der Bestimmung des g-Faktors herausfanden, dass er genau dem entsprach, was sie erwartet hatten, nämlich g-Faktor eins. Und natürlich wissen wir, dass es in Wirklichkeit g-Faktor zwei ist. Barnett erhielt (als Ergebnis) zwei, mehr oder weniger, aber er wusste nichts damit anzufangen. Und es dauerte einige Jahre bevor das Experiment, was ein außergewöhnlich schwieriges Experiment war, beide waren das, ungeheuer schwierig, verfälscht durch alle möglichen systematischen Fehler, bevor der g-Faktor schließlich mit 2 bewiesen wurde. Und jetzt stellt sich heraus, dass in den interstellaren Staubkörnern, dieser lächerlich kleine Effekt, der Barnett-Effekt, von Bedeutung ist. Er wurde zuerst ins Spiel gebracht, seine Rolle bei den interstellaren Staubkörnern wurde zuerst ins Spiel gebracht durch eine Abhandlung von (Duginov und Mitrofanov) in Moskau vor zwei oder drei Jahren, und sie verwendeten ihn nicht auf diese Weise. Sie wiesen schlicht darauf hin, dass der Barnett-Effekt einen magnetischen Moment in den rotierenden Staubkörnern hervorruft. Und dann fiel mir ein, dass damit auch eine Relaxation verbunden sein muss, und die Relaxation ist dieselbe, die auch dazu führt, dass sich die Staubkornrotation nach dem hauptsächlichen magnetischen Moment ausrichtet. Der Grund dafür, warum ein so winziger Effekt von solcher Bedeutung sein kann, ist der, dass das interstellare Staubkorn durch das Gas erst verlangsamt wird, nachdem es circa 10^-18 Umdrehungen ausgeführt hat. Und genau unter diesen Umständen, bei denen ein Gebilde eine Rotationskurve von 10^18 hat, ist das möglich. OK, ich möchte jetzt mit einem Blick auf den außergalaktischen Raum zum Abschluss kommen. Auf meiner letzten Folie…, die letzte Folie zeigt das Universum, den außergalaktischen Raum, über den Professor Dirac gesprochen hat, tatsächlich sehen Sie auf dieser Folie etwas über die mittlere Dichte des Universums. Und hier stellt sich die Frage: Wäre es möglich, dass etwas der Masse, der fehlenden Masse, die erforderlich ist, damit sich das Universum nach den herkömmlichen Theorien wieder zusammenzieht, könnte sich diese außerhalb der Galaxie in einer der Formen verbergen, über die wir in Verbindung mit dem interstellaren Medium gesprochen haben? Hier habe ich…, hier sehen sie ein sehr…, die Größe des Universums habe ich mit 10^28 Zentimetern angenommen, auf die Schwierigkeiten bei der Größenbestimmung hatte ich ja, natürlich, schon hingewiesen. Aber wenn wir alles, was wir sehen, zusammen addieren, das entspricht heute etwa 10^10 Galaxien, etwa einhundert Mal so weit auseinander wie ihre eigene Größe, jede mit 10^44 Staubkörnern, dann erhalten wir die scheinbare mittlere Dichte des Universums. Die Dichte, wenn das, was wir sehen, alles ist, was dort ist, beträgt etwa 10^-30 Staubkörner pro Kubikzentimeter. Wohingegen die kritische Dichte, die Dichte, die gerade ausreichen würde, die Ausdehnung zu verlangsamen, mehr als das, sie dann dazu bringen würde, sich umzukehren, die ist etwa zwanzig Mal so groß. Die Frage lautet dann, sehen wir nur 5 bis 10 % der gesamten Materie, bleibt uns der Rest verborgen? Ich glaube, aus den Beobachtungen können wir heute mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass, wenn sie im intergalaktischen Raum verborgen ist, sie sich nicht im Staub verbirgt. Sie hält sich nicht als kalter Wasserstoff verborgen. Sie könnte als heißer, vollständig ionisierter Wasserstoff verborgen sein, aber selbst diese Vorstellung kann durch einige der im Rahmen der Beobachtungen durchgeführten Röntgenuntersuchungen ziemlich schnell verworfen werden. Eines bleibt natürlich noch übrig, die Möglichkeit, dass sie in schwarzen Löchern verborgen ist, massereicheren Objekten, und tatsächlich ist alles, was es braucht, um sie intergalaktisch…, sie in den Galaxien oder zwischen den Galaxien zu verbergen, sie zu großen Klumpen zusammenzuballen und nicht zu kleinen Stücken. Jede beliebige Menge Materie könnte sich in Form von Golfbällen verbergen und wir wären nie in der Lage, sie zu sehen. Es besteht mittlerweile der Verdacht, dass die Masse, wenn sie denn da ist, sich in schwarzen Löchern verbirgt, oder möglicherweise sich überwiegend in den Zentren von Galaxienhaufen verbirgt. Aber wenn ich das sage, begebe ich mich wirklich auf astronomisches Terrain, das ich noch nicht erkundet habe und bei dem ich nicht so tun sollte, als wüsste ich die Antwort. Auch innerhalb der Galaxie selbst gibt es noch wichtige Probleme. Eines der wichtigsten ist meiner Meinung nach die Dynamik der Wechselwirkung zwischen dem Staub und dem Gas, wenn das Gas turbulent ist. Es gibt bereits einige Anhaltspunkte dafür, aus einigen merkwürdigen Ergebnissen, dass in turbulentem Gas der Staub dazu neigt, zu klumpen, und beim Verklumpen dunkle Wolken bildet. Dunkle Wolken bildet, zu chemischen Reaktionen führt, und diese dunklen Wolken sind wirklich die Vorläufer der Sterne. Daher könnte die ganze Frage der Sternentstehung, auf ziemlich kritische Weise, in einem bestimmten Stadium, vom Verhalten von Staubkörnern in turbulentem Gas abhängen. Dieses Problem ist noch nicht gelöst und könnte, glaube ich, sehr spannend sein. Der Staub, den Sie sehen, ist das Material, aus dem die Sterne sind, und gleichzeitig wird er aus Sternen gebildet, und tatsächlich, als ich Ihnen den Graphit auf dem Papier gezeigt habe, kann es sogar sein, dass der interstellare Staub Graphit ist. Sicher ist jedoch, dass sich der Staub auf dem Papier einmal in einem Stern befand und wieder befinden wird, wir werden nicht zugegen sein, ihn als Bleistift zu benutzen. Vielen Dank.

Edward Purcell (1979)

The Interstellar Medium

Edward Purcell (1979)

The Interstellar Medium

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While Edward Purcell also attended the 4th Lindau physics meeting in 1962, the present lecture is the only one he ever gave there. The work that brought him the Nobel Prize in Physics 1952 concerned magnetic properties of solid matter in the laboratory. But Purcell also had other interests and it was he and his collaborators who found the sharp 21 cm radio astronomy line emanating from clouds of hydrogen in space. In 1979, Purcell had for several years worked on a problem connected with interstellar matter in our galaxy, i.e. matter between the stars or their planets. At that time it was thought that only 10% of the matter could be found between the stars and it was also unclear if other stars had planets. Today the estimate is that most matter is located in the interstellar and intergalactic medium. We also believe that most stars have planets and the research into what is today named dark matter and dark energy is a very hot topic, as is the search for new planets. But for Purcell, space was mainly empty, only containing a very dilute mixture of atoms, molecules and dust grains. Although scarce, the grains play an important role in the chemistry going on in space by, e.g., acting as surface catalysts for chemical reactions such as the formation of hydrogen molecules, H2, from free hydrogen atoms H. The grains also interact with the radiation from the stars and this was Purcell’s main interest. It was known that there are large-scale magnetic fields in space and his idea was that these magnetic fields align the dust grains and thus act as a polarizer of the radiation from the stars. In a sense this astrophysical problem made contact with Purcell’s laboratory experiments, where he had studied such phenomena as relaxation effects in ensembles of magnetic atoms and nuclei.

Anders Bárány

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