Unser Sonnensystem (s. Abbildung 1) ist nur eines von Milliarden im Universum. Denn die Sterne am nächtlichen Himmel sind nichts anderes als Sonnen. Das heißt trotzdem nicht, dass alle Sterne unserer Sonne gleichen oder dass um alle Sterne Planeten kreisen. Es gibt unter den Sternen vielmehr Familien wie die Hauptreihensterne, Roten Riesen, Weiße Zwerge, Neutronensterne und weitere. Unsere Sonne gehört zu den Hauptreihensternen. Die Sternfamilien stellen Entwicklungsstadien dar, welche

Abbildung 1: Unser Sonnensystem.  copyright: NASA

die Sterne in ihrer Lebenszeit durchlaufen. Die Entwicklungsstadien sind durch unterschiedliche Prozesse gekennzeichnet, die in den Sternen ablaufen. Die Sterne gleichen gewaltigen Fusionsreaktoren, denn in ihrem Inneren verschmelzen Atomkerne miteinander, wobei große Energien frei werden, die der Stern als Strahlung in den Raum abgibt – der Stern leuchtet. Ein Planet leuchtet im Gegensatz zu einem Stern nicht. Der Planet reflektiert nur das Licht eines Zentralsterns, den er umläuft. Das Universum mit seinen Milliarden von Sternen ist das Resultat des Urknalls, eines gewaltigen Ereignisses, bei dem Raum, Zeit und Materie erst entstanden. Im Folgenden werde ich die Ereignisse vom Urknall bis hin zur Geburtsstunde unseres Sonnensystems kurz skizzieren. Im Abschnitt Entwicklung des Sonnensystems schildere ich dann die Ereignisse von der Geburt unseres Sonnensystems bis hin zur Bildung der Planeten, Meteorite, Kometen und sonstigen Mitglieder unseres Sonnensystems.

Die Entstehung des Universums Der Mensch hat sich immer wieder gefragt, woher die Materie, die Erde, die Sterne, das gesamte Universum und schließlich er selbst kommen. In der Vergangenheit wurden dazu Theorien aufgestellt, die aus heutiger Sicht abstrus anmuten. Eine dieser Theorien versuchten die Erde als eine Scheibe darzustellen, die auf dem Rücken einer Schildkröte ruht (s. Abbildung 2). Diese Theorie ist spätestens seit den Fotos der Apollo-Mission – auf denen keine Schildkröte zu erkennen ist – haltlos geworden. Das heutige Bild vom Aufbau und der Entstehung des Universums ist in erster Linie auf die starke Verbesserung und Vergrößerung der Teleskope und die Himmelsdurchmusterung mit modernen Untersuchungsmethoden zurückzuführen. Ein Resultat war die erschreckend unbedeutende Stellung, die unsere Erde im

Abbildung 2: Die Erde als Fotomontage auf dem  Rücken einer Schildkröte. Früher dachte man außerdem, dass die Erde keine Kugel, sondern eine Scheibe sei. copyright der Erdkugel: NASA; Bildinfo der Erdkugel

Universum einnimmt. Eine gedankliche Reise soll das illustrieren: Unsere Erde hat einen Abstand zur Sonne von knapp 150  Millionen Kilometern. Diese Distanz wird „Astronomische Einheit“, kurz AE, genannt (im Englischen AU für „astronomical unit“). Unser Sonnensystem hat eine Ausdehnung von vielleicht wenigen hundert AE. Unser Sonnensystem ist Mitglied der Milchstraße, einer Galaxie (s. Abbildung 3), die etwa hundert Milliarden Sonnen enthält und einen Durchmesser von 100,000 Lichtjahren hat. Ein Lichtjahr ist die Distanz, die Licht in einem Jahr zurücklegt - und das Licht breitet sich mit einer Geschwindigkeit von knapp 300,000 kms-1 aus! Unsere Milchstraße ist ihrerseits Mitglied eines Haufens aus Galaxien, der so genannten lokalen Gruppe. Nachdem die Erde in unserem Sonnensystem zu einem winzigen Pünktchen schrumpfte und dieses Sonnensystem in der Milchstraße nur ein Pünktchen ist, schrumpft die Milchstraße in der lokalen Gruppe zu einem durchschnittlichen Mitglied. Die lokale Gruppe gehört zu einem großen Galaxien-Superhaufen, in dem sich mehrere Galaxien-Haufen aufhalten - die lokale Gruppe ist einer davon. Solche Galaxien-Superhaufen durchziehen nun massenweise das Universum. Unsere nächste Nachbargalaxie, die Andromeda-Galaxie - eher unter dem Namen „Andromeda-Nebel“ bekannt - ist schon 2,2 Millionen Lichtjahre entfernt. Das ganze Universum hat einen Durchmesser von etwa 15 Milliarden Lichtjahren.

Abbildung 3: Die Spiralgalaxie M51. Sehr schön sind die Spiralarme der Galaxie zu erkennen. Unsere Galaxie, die Milchstraße, würde von sehr weit oben betrachtet der Galaxie M51 sehr ähnlich sehen. copyright: NASA; Bildinfo

Eine andere, spektakuläre Entdeckung spektralanalytischer Untersuchungen war, dass sich beinahe alle Galaxien von uns weg bewegen. Das bedeutet aller Theologie zum Trotz nicht, dass sich die Erde im Zentrum dieser Bewegung befindet. Um das zu verstehen, kann man sich einen Hefeteig vorstellen, der mit Rosinen gespickt ist. Wenn der Teig aufgeht, bewegen sich alle Rosinen auseinander. Selbst wenn eine Rosine im Randbereich des Teiges steckt, scheinen sich alle anderen Rosinen von dieser zu entfernen. Aus dem Phänomen, dass alle Galaxien auseinanderstreben, lässt sich schlussfolgern, dass das gesamte Universum expandiert. Lässt man die Expansion gedanklich rückwärts laufen, also den Hefeteig wieder in sich zusammen fallen, erkennt man, dass das Universum seinen Ursprung in einem Punkt hat. Von diesem Punkt aus, so nimmt man heute an, entstand das Universum. Dieser Punkt und Zeitpunkt, von dem das Universum seinen Anfang nahm, wird Urknall genannt.

Nun darf man sich den Punkt allerdings nicht als irgendwo lokalisiert und den Zeitpunkt als irgendwann existent vorstellen, denn erst mit dem Urknall entstanden überhaupt Raum und Zeit. Das Universum und alles darin enthaltene, entstanden also buchstäblich aus dem Nichts.

Die Entstehung der Elemente und der Materie im Universum Die Entstehung der Elemente und der Materie im Universum Im heutigen Standardmodell zur Entstehung des Universums kann man bis zu einem Zeitpunkt zurückrechnen, der 10-43 Sekunden nach dem so genannten „Urknall“ lag. In der kleinen Zeitspanne vom eigentlichen Urknall bis 10-43 Sekunden danach galten die physikalischen Gesetze noch nicht: was innerhalb dieser Zeitspanne passierte lässt sich deshalb nicht berechnen. 10-43 Sekunden nach dem Urknall ist man aber schon recht nahe am Moment des Urknalls dran. Beim Urknall (s. Abbildung 4a) war die gesamte Masse, Materie, Strahlung, einfach alles, in einem unvorstellbar winzigen Volumen konzentriert. Damals wurde dort das Energieäquivalent der Masse von 10.000 Milliarden Milliarden Milliarden Sonnen wurde in einem einzigen Augenblick freigesetzt. Das Ergebnis war ein unvorstellbar heißes Quark-Gluonen-Plasma, so heiß, dass darin noch keines der heute bekannten Elementarteilchen (z.B. Proton, Neutron, Elektron etc.) existieren konnte. Diese junge und heiße Universum expandierte schnell und kühlte sehr rasch auf eine Temperatur von vielen Milliarden Kelvin ab. Nach etwa 10-30 Sekunden begannen erste Elementarteilchen wie zum Beispiel Protonen, Neutronen und Elektronen nebst ihrer Antiteilchen aus dem Quark-Gluonen-Plasma auszufrieren, sie zerstrahlten bei Kollisionen miteinander unmittelbar wieder in Energiequanten. Übrig blieb schließlich nur ein winziger Bruchteil der aus dem Quark-Gluonen-Plasma entstandenen Elementarteilchen, aus denen die im Universum enthaltene baryonische Materie (ca. ~ 6 x1066 kg) entstand. Diese baryonische Materie existierte zunächst in einem extrem heißen Plasma aus Strahlung, Wasserstoffkernen, Heliumkernen und Elektronen, das weiterhin kräftig expandierte und dadurch innerhalb von ca. 300000 Jahren auf ca. 3000 K abkühlte. Bei dieser Temperatur bildeten sich aus Wasserstoffkernen und Elektronen die ersten Wasserstoffatome und aus Heliumkernen und Elektronen die ersten Heliumatome, wobei schließlich 75% der gesamten Masse auf Wasserstoff und 25% der auf Helium entfiel. Atomkerne schwererer Elemente enthielt dieses Plasma noch nicht, weil die Anfangstemperatur im Plasma für die Bildung schwererer Atomkerne nicht hoch genug war. Als die Plasmatemperatur unter 3000 Kelvin fiel und Atomkerne und Elektronen sich dadurch zu Atomen zusammenfanden, wurde das Plasma zu durchsichtigem Gas, aus dem die Photonen entweichen konnten. Das Weltall wurde dunkel. Die erste Generation von Sonnen Die nun folgende Ausbildung von Strukturen im frühen Universum ist ein erstaunliches und noch wenig verstandenes Phänomen. In den Jahrmillionen nach dem Urknall verteilten sich die Wasserstoff- und Heliumatome nicht wie ein ideales Gas homogen im verfügbaren expandierenden Raum, sondern es entstanden in diesem dünnen Gas offensichtlich lokale Verdichtungen, die wohl die Vorgängerstrukturen der heutigen Galaxien-Superhaufen waren. In diesen riesigen Materieansammlungen entstanden durch Schwerkrafteinwirkung und Kühlung des Gases weitere Unterstrukturen, aus denen nach und nach Galaxien-Haufen und schließlich Galaxien entstanden In diesen feineren Unterstrukturen entstanden durch turbulente dynamische Prozesse kleinere Verdichtungen, die durch Schwerkraftwirkung und Kühlung allmählich in noch kleinere Teilbereiche zerfielen, die sich langsam weiter verdichteten. Durch den Druck der verdichteten Gasmasse im Zentrum dieser verdichteten Bereiche stiegen Dichte und die Temperatur schließlich so hoch, dass das Gas zum Plasma wurde, das sich immer weiter verdichtete und erhitzte, bis daraus ein massereicher Stern entstand, in dessen Kern Wasserstoffatomkerne zum Heliumkernen fusionierten und Energie freigesetzt wurde. Diese ersten Sterne waren extrem massereich, extrem heiß, extrem leuchtkräftig und extrem kurzlebig. Sie waren die erste Sternengeneration im Universum (s. Abbildung 4b)

Abbildung 4a: Der Urknall. Am Anfang war das Universum auf einen winzigen Punkt komprimiert. Kurz nach dem Urknall entstanden Strahlung und die Elemente Wasserstoff (H) und Helium (He) Abbildung 4b: Erster Zyklus der Sternentstehung. In diesen ersten Sternen werden aus H und He die schweren Elemente bis zum Eisen (Fe) gebildet. Abbildung 4c: Die erste Generation von Sternen explodiert in Supernovae, wobei Elemente gebildet werde, die schwerer als Fe sind. Abbildung 4d: Aus den Supernovae bilden sich Nebel, die ihrerseits die Geburtstätte neuer Sonnen darstellen. Hier beginnt der Zyklus der Sternentstehung (s. Abbildung 5b) von Neuem.

Beim Kernfusionsprozess in diesen Sternen entstand darin zunächst Helium (He), Bei Temperaturen über 100 Millionen Kelvin fusioniert Helium zu Kohlenstoff (C) und weiter zu Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, etc.. Bei noch höheren Temperaturen fusionieren diese Atomkerne dann zu noch schwereren Elementen (z, B. Aluminium, Magnesium, Phosphor, Kalzium, Schwefel, Silizium), Bei jedem dieser Fusionsprozesse wird weitere Energie freigesetzt. Die Temperatur im Kern des Sterns steigt dadurch weiter, es können immer schwerere Atomkerne bis zum Eisen gebildet werden. Bei Elementen, deren Atomkerne mehr als 26 Protonen enthalten (deren Atomgewicht somit schwerer ist als das Atomgewicht von Eisen) wird beim weiteren Kernfusionsprozess aber keine Energie erzeugt, sondern verbraucht. Dadurch bricht bei Eisen der Fusionsprozess sofort ab. Alle Elemente bis zum Eisen mit der Ordnungszahl 26 können durch Fusionsprozesse in Sternen entstehen (Die Elemente Lithium, Beryllium und Bor jedoch nicht). Die übrigen 66 natürlich vorkommenden chemischen Elemente (bis hin zum Uran mit der Ordnungszahl 92) entstehen vorwiegend bei Supernovaexplosionen extrem massereicher Sterne. Sterne mit der vielfachen Masse unserer Sonne können am Ende ihres Lebenszyklus als so genannte „Supernova“ explodieren. Bei den Sternen der ersten Sterngeneration war das der Fall. Bei diesen Supernovae (s. Abbildung 4c) werden neben ungeheurer Strahlungsenergie und unzähligen Neutrinos auch gewaltige Mengen hochenergetischer Neutronen freigesetzt. Atomkerne in einen solchen Neutronenfluss absorbieren Neutronen, wodurch der Atomkern instabil wird und radioaktiv strahlt. Bei dieser radiaktiven Strahlung zerfallen einzelne Neutronen des radioaktiven Kerns in ein Proton und ein Elektron, sodass die Protonenzahl und damit die Ordnungszahl des betreffenden Atomkerns zunimmt. Durch Neutroneneinfang können aus Atomkernen mit niedriger Ordnungszahl Atomkerne mit höherer Ordnungszahl entstehen, bis zu Uran und darüber hinaus. Allerdings sind viele dieser schwereren Atomkerne nicht stabil und zerfallen deshalb durch radioaktive Prozesse schließlich in andere, stabile Atomkerne. Als Überreste dieser Supernova-Explosionen bleiben schließlich rasch expandierende, strahlende Nebel aus Plasma, Gas und Staub übrig, die das umgebende Gas verdichten (s. Abbildung 4d) und bei der Kollision mit dem Gas allmählich abgebremst werden, worauf sich in diesem verdichteten und mit schweren Elementen angereichertem Gas schließlich irgendwann die nächste Generation von Sternen bilden kann.

Abbildung 5: Kosmische Häufigkeit der Elemente. Aufgetragen ist die Elementhäufigkeit (logarithmisch) gegen die Ordnungszahl der Elemente. Der Peak bei der Ordnungszahl (OZ) 26 ist Eisen. Weitere wichtige Elemente sind Sauerstoff (OZ 8), Magnesium (OZ 12) und Aluminium (OZ 13).

In Abbildung 5 ist die relative kosmische Häufigkeit der Elemente dargestellt. Das ist die Häufigkeit der Elemente, wie man sie aus der Analyse von Meteoriten bzw. in der Photosphäre der Sonne gemessen hat. Es ist zu beachten, dass die y-Achse logarithmisch aufgetragen ist! Man sieht: Wasserstoff ist das mit Abstand häufigste Element. Es folgt Helium, und dann erst kommen die übrigen chemischen Elemente. Zu den schweren Elementen hin nimmt die jeweilige Häufigkeit deutlich ab. Dies spiegelt den komplizierten Prozess der Bildung schwerer Elemente wieder. Die mittlere Häufigkeit der Elemente in den Gesteine der Erde ähnelt der kosmischen Elementhäufigkeit, mit Ausnahme der leichten Elemente Wasserstoff und Helium. Auf diese Besonderheiten wird im nächsten Kapitel über die Entwicklung unseres Sonnensystems näher eingegangen.