Das Genie von Fritz Zwicky - Dunkle Materie und astronomische Entdeckungen

Konzept der kollabierten Sterne

Zwicky und Baade stellten Anfang der 1930er Jahre erstmals die Idee der Neutronensterne vor - eine für die damalige Zeit recht radikale Idee. Sie wiesen darauf hin, dass es sich bei diesen Sternenkörpern um die Überreste massereicher Sterne handelt, die katastrophal kollabieren. In seiner Vorstellung waren Neutronensterne sehr kompakte Körper, die eine Masse hatten, die der der Sonne entsprach, aber auf die Größe einer Großstadt geschrumpft waren. Er ging sogar davon aus, dass diese Sterne aufgrund der Verschmelzung von Protonen und Elektronen unter enormem Druck tatsächlich aus Neutronen bestehen.

Beziehung zu Supernovae

Der Begriff „Supernova“ wurde von Zwicky und Baade geprägt, um die sehr hellen Sternexplosionen zu beschreiben. Sie stellten außerdem die Hypothese auf, dass Supernovae die Übergänge von gewöhnlichen Sternen in Neutronensterne sind. So würden die spektakulären Todeskämpfe von Sternen, die so massiv sind, zur Bildung von Neutronensternen führen. Die enorme Gravitationsenergie, die aus dem Kollaps des Sterns resultiert, treibt den Auswurf der äußeren Schichten des Sterns an und führt zu der als Supernova bezeichneten Explosion.

Beeinflussung der weiteren Forschung

Obwohl die meisten von Zwickys Theorien zunächst auf Skepsis stießen, hatten seine Ideen dennoch großen Einfluss auf die spätere astronomische Arbeit. Es sollte mehr als dreißig Jahre dauern, bis die Existenz von Neutronensternen durch Beobachtungen bestätigt wurde. Die Entdeckung von Pulsaren in den späten 1960er Jahren, vor allem im Krebsnebel, unterstützte die Ideen schließlich nachdrücklich. Schnell rotierende Neutronensterne waren die Überreste von Supernovaexplosionen und bestätigten die Hypothesen von Zwicky.

Das Neutronensternkonzept spielte auch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Konzepts der kosmischen Strahlung. Nach Zwicky und Baade konnte eine Supernova als Quelle für diese hochenergetischen Teilchen angenommen werden, eine Hypothese, die heute im Zentrum der modernen Astrophysik steht. Ihre Arbeit legte damit den Grundstein für vielfältige weitere Untersuchungen und ermutigte Generationen von Wissenschaftlern, die Natur dieser sogenannten exotischen stellaren Objekte und ihre Rolle im Kosmos zu erforschen.

Katalogisierung von Galaxien und Galaxienhaufen

Durch sein Bestreben, viele Objekte im Weltraum zu kartieren, entstanden mehrere sehr nützliche Dokumente für die Astronomen. Sein berühmtestes Werk in dieser Hinsicht ist der Katalog der Galaxien und Galaxienhaufen, auch bekannt als Zwicky-Katalog. In acht Bänden, beginnend 1961, identifizierte dieser Katalog über 29.000 Galaxien und 9.000 Galaxienhaufen unter Verwendung von POSS-Platten.

Der CGCG blieb eine ergiebige Quelle für Astronomen und wurde über mehrere Jahrzehnte erweitert und überarbeitet, da frühere Arbeiten ständig verbessert wurden. In den 1990er Jahren wurde ein aktualisierter Zwicky-Katalog (UZC) erstellt, indem neuere Beobachtungen in einen anspruchsvolleren Katalog mit verbesserter Datengenauigkeit eingearbeitet wurden. Außerdem erstellte Zwicky 1971 den Catalog of Selected Compact Galaxies and of Post-eruptive Galaxies (CGPG) mit Galaxien, die kleiner waren oder eine ungewöhnliche spektrale Energieverteilung oder Morphologie aufwiesen.

Beobachtungen der Galaxienverteilung

Die Beobachtungen von Zwicky standen in völligem Widerspruch zu der damals herrschenden Meinung über die Verteilung der Galaxien im Universum. Er führte mit dem 18-Zoll-Schmidt-Teleskop des Palomar-Observatoriums eine Untersuchung von etwa 100 Galaxienhaufen in der Nähe durch. Seine Ergebnisse standen nun im Widerspruch zu der Behauptung von Edwin Hubble und anderen, dass die Galaxien gleichmäßig und zufällig im Universum verteilt seien.

Daraus schloss Zwicky, dass die reichen Galaxienhaufen innerhalb eines typischen Volumens, der so genannten „Haufenzelle“, mit einem Durchmesser von etwa 40 Megaparsec liegen. Das Ergebnis zeigte, dass die Galaxien nicht gleichmäßig verteilt waren und dass der Raum riesige Strukturen enthielt.

Auswirkungen auf die Kosmologie

Die vielleicht weitreichendsten Auswirkungen auf die Kosmologie, insbesondere im Hinblick auf die dunkle Materie, hatte Zwickys Arbeit zur Untersuchung von Galaxienhaufen. Im Jahr 1933 arbeitete er am Coma-Haufen und bemerkte eine enorme Streuung der scheinbaren Geschwindigkeiten von acht Galaxien in diesem Haufen, die über 2.000 km/s betrug. Dies veranlasste ihn, das Virialtheorem anzuwenden, um die Masse des Haufens zu berechnen.

Zu seiner großen Überraschung stellte Zwicky fest, dass die Geschwindigkeitsdispersion weitaus größer war, als es die sichtbare Masse der Galaxien vermuten ließ. Diese enorme Diskrepanz veranlasste Zwicky dazu, eine enorme Menge an unsichtbarer „dunkler Materie“ in dem Haufen zu vermuten. Er schätzte das Masse-Licht-Verhältnis des Coma-Haufens auf etwa 500, also weitaus mehr, als sich allein durch die sichtbare Materie erklären ließe.

Müde-Licht-Hypothese

Nach der Entdeckung des Zusammenhangs zwischen der galaktischen Entfernung und der Rotverschiebung durch Edwin Hubble stellte Zwicky 1929 die Hypothese des „müden Lichts“ auf. Das wesentliche Postulat dieser Theorie war, dass Photonen auf ihrer Reise durch den Weltraum durch irgendeine Wechselwirkung mit dem intergalaktischen Medium Energie verlieren, und zwar unabhängig von der Expansion des Universums. Auf der Suche nach einem Mechanismus für diesen Energieverlust zog Zwicky verschiedene Wechselwirkungen mit Materie oder anderen Photonen in Betracht. Er machte seine Hypothesen falsifizierbar, indem er vorschlug, mit Hilfe der Hochdispersionsspektroskopie eine asymmetrische Verbreiterung der Absorptionslinien zu überprüfen. Spätere Beobachtungen konnten dies jedoch nicht bestätigen, und das Modell des expandierenden Universums hat sich allgemein durchgesetzt.

Nukleare Kobolde

Zwicky schlug die Existenz von „Kernkobolden“ vor, einem mythischen Körper von nuklearer Dichte, der nur unter extremem Druck tief im Inneren sehr massereicher, dichter Sterne stabil ist. Er schlug weiter vor, dass sich diese Kobolde innerhalb der Sterne bewegen und heftig explodieren könnten, wenn sie weniger dichte Regionen nahe der Oberfläche erreichen. Zwicky betrachtete diesen Mechanismus als eine Möglichkeit zur Erklärung eruptiver Phänomene im Zusammenhang mit Fackelsternen. Dieser phantasievolle Vorschlag hat sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht durchgesetzt.

Morphologisches Forschungskonzept

Einer der nachhaltigsten Beiträge von Zwicky war die Entwicklung der Allgemeinen Morphologischen Analyse, GMA. Dabei handelt es sich um eine Methodik, die darauf abzielt, komplizierte, normalerweise nicht quantifizierbare, mehrdimensionale Probleme systematisch zu organisieren und zu erforschen. Er wandte die GMA in verschiedenen Bereichen an, etwa bei der Klassifizierung astrophysikalischer Objekte, bei Düsen- und Raketenantriebssystemen und sogar bei rechtlichen Problemen im Zusammenhang mit der Raumfahrt. Er initiierte die Gesellschaft für Morphologische Forschung und setzte sich über drei Jahrzehnte lang für diese Methode ein.

In den letzten Jahrzehnten wurden Anwendungen der morphologischen Analyse auch in der politischen Analyse und in Zukunftsstudien gefunden. Die Möglichkeit einer fortgeschrittenen Computerunterstützung hat ihre Funktionalität erweitert.