Physik

Physik - Evolution von Sternen und Bildung chemischer Elemente

Entwicklung der Sterne und Bildung chemischer Elemente

So wie die Entwicklung der Kosmologie stark von Ideen aus der Physik abhing , insbesondere von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie , so hingen Theorien der Sternstruktur und Evolution von Entdeckungen in der Atomphysik ab . Diese Theorien boten auch eine grundlegende Grundlage für die Chemie, indem sie zeigten, wie die Elemente in synthetisiert werden konntenSterne .

Die Idee , dass die Sterne durch die gebildete Kondensation von gasförmigen Wolken Teil der 19. Jahrhundert Nebel war Hypothese ( siehe oben ). Die durch diese Kondensation freigesetzte Gravitationsenergie könnte in Wärme umgewandelt werden. Berechnungen von Hermann von Helmholtz und Lord Kelvin ergaben jedoch, dass dieser Prozess Energie liefern würde, um die Sonne nur etwa 20 Millionen Jahre lang scheinen zu lassen. Hinweise aus radiometrischen Datierungen , beginnend mit der Arbeit des britischen Physikers Ernest Rutherford im Jahr 1905, zeigten, dass die Erdeist mehrere Milliarden Jahre alt. Astrophysiker waren ratlos: Welche Energiequelle hat die Sonne so lange scheinen lassen?

Im Jahr 1925 Cecilia Payne , eine Doktorandin aus Großbritannien am Harvard College Observatory, analysierte die Spektren von Sternen mithilfe statistischer Atomtheorien, die sie mit Temperatur, Dichte und Zusammensetzung in Beziehung setzten . Sie fand heraus, dass Wasserstoff und Helium die am häufigsten vorkommenden Elemente in Sternen sind, obwohl diese Schlussfolgerung erst allgemein akzeptiert wurde, als sie vier Jahre später vom bekannten amerikanischen Astronomen Henry Norris Russell bestätigt wurde . Zu diesem Zeitpunkt Proutsche Hypothese , dass alle Elemente sind Verbindungen von Wasserstoff waren Physiker in einer etwas komplizierteren Form wiederbelebt worden. Die Abweichung der Atomgewichteaus exakten ganzzahligen Werten (ausgedrückt als Vielfaches von Wasserstoff) könnte teilweise durch die Tatsache erklärt werden, dass einige Elemente Gemische von Isotopen mit unterschiedlichen Atomgewichten sind, und teilweise durch Einsteins Beziehung zwischen Masse und Energie, E = m c 2 (unter Berücksichtigung der Bindung) Energie der Kräfte, die den Atomkern zusammenhalten). Deutscher PhysikerWerner Heisenberg schlug 1932 vor, dass während der Wasserstoffkern nur aus einem Proton besteht , alle schwereren Kerne Protonen und Neutronen enthalten . Da ein Proton durch Fusion mit einem Elektron in ein Neutron umgewandelt werden kann , bedeutete dies, dass alle Elemente aus Protonen und Elektronen - dh aus Wasserstoffatomen - aufgebaut werden konnten .

1938 in Deutschland geborener Physiker Hans Bethe schlug die erste zufriedenstellende Theorie der Erzeugung von Sternenergie vor, die auf der Fusion von Protonen zu Helium und schwereren Elementen basiert . Er zeigte, dass ein Zyklus von Kernreaktionen , sobald sich so schwere Elemente wie Kohlenstoff gebildet hatten, noch schwerere Elemente hervorbringen könnte. Die Fusion von Wasserstoff zu schwereren Elementen würde auch genug Energie liefern, um die Energieerzeugung der Sonne über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren zu erklären. Bethes Theorie wurde von Fred Hoyle , Edwin E. Salpeter und William A. Fowler erweitert .

Nach der Theorie der Sternentwicklung, die der in Indien geborene amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar und andere entwickelt haben, wird ein Stern instabil, nachdem er den größten Teil seines Wasserstoffs in Helium umgewandelt hat und möglicherweise Phasen schneller Expansion und Kontraktion durchläuft. Wenn der Stern viel massereicher als die Sonne ist, explodiert er heftig und es entsteht eine Supernova . Die Explosion wird schwerere Elemente synthetisieren und sie im umgebenden interstellaren Medium verteilen , wo sie den Rohstoff für die Bildung neuer Sterne und schließlich von Planeten und lebenden Organismen liefern .

Nach einer Supernova-Explosion kann der verbleibende Kern des Sterns unter seiner eigenen Anziehungskraft weiter zusammenbrechen und einen dichten Stern bilden, der hauptsächlich aus Neutronen besteht. Dieser sogenannte Neutronenstern , der in den 1930er Jahren von den Astronomen Walter Baade und Fritz Zwicky theoretisch vorhergesagt wurde , wurde erstmals als Pulsar (Quelle schneller, sehr regelmäßiger Radiowellenimpulse) beobachtet, der 1967 von Jocelyn Bell entdeckt wurde.

Massivere Sterne können eine weitere Evolutionsstufe jenseits des Neutronensterns durchlaufen: Sie können zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen , in dem die Gravitationskraft so stark ist, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Das Schwarze Loch als Singularität in einem idealisierten Raum-Zeit- Universum wurde 1916 vom deutschen Astronomen Karl Schwarzschild aus der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt . Seine Rolle in der Sternentwicklung wurde später von den amerikanischen Physikern J. Robert Oppenheimer und John Wheeler beschrieben . Ab den 1970er Jahren wurden Schwarze Löcher in Röntgenquellen und im Zentrum einiger Galaxien, insbesondere Quasaren, beobachtet .

Solar-system astronomy and extrasolar planets

This area of investigation, which lay relatively dormant through the first half of the 20th century, was revived by the stimulus of the Soviet and American space programs. In 1959 Luna 3 took the first picture of the Moon’s far side. Mariner 2 made the first planetary flyby when it passed Venus in 1962, and Mariner 4 was the first flyby to send back images when it flew by Mars in 1965. Since then, space probes have visited all the planets as well as some dwarf planets, asteroids, and comets, and 12 astronauts landed on the Moon as part of the Apollo program.

Diese Missionen des Sonnensystems lieferten eine Fülle komplexer Informationen. Ein einziges Beispiel für die daraus resultierende Änderung der Vorstellungen über die Geschichte des Sonnensystems muss hier ausreichen . Vor der ersten bemannten Mondlandung im Jahr 1969 gab es drei konkurrierende Hypothesen über den Ursprung derMoon: (1) formation in its present orbit simultaneously with Earth, as described in the nebular hypothesis; (2) formation elsewhere and subsequent capture by Earth; and (3) ejection from Earth by fission (popularly known theory that the Moon emanated from what is now the Pacific Ocean basin). Following the analysis of lunar samples and theoretical criticism of these hypotheses, lunar scientists came to the conclusion that none of them was satisfactory. Photographs of the surface of Mercury taken by the Mariner 10 spacecraft in 1974, however, showed that it is heavily cratered like the Moon’s surface. This finding, together with theoretical calculations by V.S. Safronov of the Soviet Union and George W. Wetherill of the United States on the formation of planets by accumulation (accretion or aggregation) of smaller solid bodies, suggested that Earth was also probably subject to heavy bombardment soon after its formation. In line with this, a theory proposed by the American astronomers William K. Hartmann and A.G.W. Cameron has become the most popular. According to their theory, Earth was struck by a Mars-sized object, and the force of the impact vaporized the outer parts of both bodies. The vapour thus produced remained in orbit around Earth and eventually condensed to form the Moon. Like the hypothesis proposed by Luis Alvarez that attributes the extinction of the dinosaurs to an asteroid impact, the Hartmann–Cameron theory seemed so bizarre that it could not have been taken seriously until compelling evidence became available.

1992 wurden die ersten extrasolaren Planeten um einen Pulsar entdeckt . Mehr als 4.000 Planeten wurden entdeckt, viele davon mit dem Kepler- Weltraumteleskop, das die leichte Verdunkelung eines Sterns beobachtet, wenn ein Planet vor ihm vorbeizieht . Viele dieser Planeten unterscheiden sich von denen im Sonnensystem und einige Umlaufbahnen innerhalb der bewohnbaren Zonen ihres Sterns , dem Orbitalraum, in dem flüssiges Wasser (und damit möglicherweise Leben ) auf der Oberfläche eines Planeten überleben könnte.

Physics

During the years 1896–1932 the foundations of physics changed so radically that many observers describe this period as a scientific revolution comparable in depth, if not in scope, to the one that took place during the 16th and 17th centuries. The 20th-century revolution changed many of the ideas about space, time, mass, energy, atoms, light, force, determinism, and causality that had apparently been firmly established by Newtonian physics during the 18th and 19th centuries. Moreover, according to some interpretations, the new theories demolished the basic metaphysical assumption of earlier science that the entire physical world has a real existence and objective properties independent of human observation.

Closer examination of 19th-century physics shows that Newtonian ideas were already being undermined in many areas and that the program of mechanical explanation was openly challenged by several influential physicists toward the end of the century. Yet there was no agreement as to what the foundations of a new physics might be. Modern textbook writers and popularizers often try to identify specific paradoxes or puzzling experimental results—e.g., the failure to detect Earth’s absolute motion in the Michelson–Morley experiment—as anomalies that led physicists to propose new fundamental theories such as relativity. Wissenschaftshistoriker haben jedoch gezeigt, dass die meisten dieser Anomalien nicht direkt zur Einführung der Theorien führten, die sie später lösten. Wie bei Copernicus ' Einführung der heliozentrischen Astronomie scheint die Motivation der Wunsch gewesen zu sein, ästhetische Prinzipien der theoretischen Struktur zu erfüllen , die auf früheren Weltanschauungen beruhen, anstatt das neueste Experiment oder die neueste Berechnung zu berücksichtigen.