Jun 07 2006

Der Ring der Stimmen

550 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt fokusiert die Sonne das Licht ferner Sterne und verstärkt es um den Faktor 100 Millionen: Ein Teleskop an dieser Stelle könnte das Universum in nie gekannter Auflösung beobachten. Dies öffnet neue Perspektiven: Auch für SETI.

Der Ring der Stimmen

Der Ring der Stimmen

Lichtstrahlen werden durch Gravitationsfelder abgelenkt: Dies ist eine Konsequenz aus Einsteins Relativitätstheorie. Bereits 1919 wurde die Ablenkung des Lichtes von fernen Sternen, die zum Zeitpunkt der Beobachtung (während einer Sonnenfinsternis) nahe an der Sonne standen, bestätigt. Wenn Licht gebündelt wird, ist die Analogie zu einer optischen Linse naheliegend: Tatsächlich beobachtet man heute regelmässig sogenannte „Gravitationslinsen“, bei der ein massives Objekt (zum Beispiel eine Galaxie, aber auch ein nahegelegener Stern) das Licht eines dahinter liegenden, weit entfernten Objekts verstärkt oder so bricht, dass es mehrfach erkennbar wird (die vielfachen Bilder des Objekts liegen dann auf einem sogenannten „Einstein-Ring“). Dass diese Gravitationslinsen eine wichtige Bedeutung haben, zeigte sich bereits im Januar dieses Jahres: Mit einer stellaren Gravitationslinse wurde eine eisige Welt, 5.5 mal schwerer als die Erde entdeckt.

Eine Brennweite von 550 Astronomischen Einheiten

Im Gegensatz zur optischen Linse hat eine Gravitationslinse keinen punktförmigen „Fokus“ – vielmehr gibt es eine typische Entfernung, ab der sich ein Objekt als Gravitationslinse nutzen lässt – theoretisch dehnt sich dieser Bereich von dort bis in die Unendlichkeit aus. Im Prinzip lässt sich also jedes beliebige Objekt als Gravitationslinse verwenden, wenn man genügend weit davon entfernt ist. Der einzige Grund, warum wir nicht bedeutend mehr Gravitationslinsen beobachten, liegt darin, dass das Universum zum grössten Teil leer ist: es kommt nur vergleichsweise selten vor, dass ein massives Objekt, von der Erde aus gesehen, genau vor einem anderen steht.

Im Prinzip kann auch jedes beliebige Objekt als Gravitationslinse dienen: Natürlich sollte das Objekt, das als Linse dient, möglichst massiv sein, denn je mehr Masse es hat, desto stärker wird das Licht gebündelt. Die Distanz, bei der sich das Licht eines Objektes bündelt, kann mit der folgenden Formel bestimmt werden:

[i]d = (r^2 * c^2) / (4 * G * M)[/i]

Dabei steht r für den Radius des biegenden Objekts, c für die Lichtgeschwindigkeit, G für die Gravitationskonstante und M für die Masse des biegenden Objekts. Für die Sonne, die ja mit Abstand das massivste Objekt in unserer Nähe darstellt, ergibt sich für d eine Entfernung von rund 550 Astronomischen Einheiten (eine Astronomische Einheit (AU)entspricht der Entfernung zwischen Erde und Sonne). Dies ist soweit von der Sonne entfernt, dass wir nur eine Handvoll von Objekten kennen, die sich auf ihrer Bahn so weit von der Sonne entfernen (dazu gehört z.B. Sedna). Diese Entfernung ist jedoch noch immer klein gegenüber den interstellaren Entfernungen: Sie beträgt weniger als ein Prozent eines Lichtjahres (der nächstgelegene Stern ist noch immer rund 500 mal weiter entfernt).

Das mächtigste Teleskop aller Zeiten

Eine Raumsonde mit einem fortschrittlichen Antrieb könnte das Gebiet jenseits dieser magischen Grenze von 550 AU innert weniger Jahre bis Jahrzehnte erreichen. Wenn sie ein Teleskop mit sich führt, könnte dieses in Richtung Sonne gerichtet werden (in dieser Entfernung strahlt diese nur noch mit rund 3 Millionstel ihrer Leuchtkraft auf der Erde) – die Gravitation der Sonne würde das Licht jedes, zum Zeitpunkt der Beobachtung hinter der Sonne stehenden Objekts rund 100 Millionen mal verstärken. Damit könnten, unter günstigen Bedingungen, Objekte bis hinunter zu 100 Kilometern Durchmesser in fernen Sternsystemen aufgelöst werden: Es wäre möglich, alle Planeten und grossen Asteroiden sowie alle grösseren Monde aufzulösen: Ferne Sternsysteme erschienen uns so nahe wie das Sonnensystem zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Sogar die groben Küstenlinien der Kontinente eines erdähnlichen Planeten würden plötzlich erkennbar. Ein „Gravitationslinsenteleskop“ ist das ultimative Teleskop, das innerhalb des 21. Jahrhunderts machbar erscheint: es dürfte viel besser sein als jedes Teleskop, das sich auf der Erde, in der Erdumlaufbahn oder auf der Rückseite des Mondes bauen lässt.

Die Milchstrasse

Die Milchstrasse

Ein solches Teleskop öffnet auch ganz neue Perspektiven für SETI. In einem früheren Artikel hatte ich SETI kritisiert, weil die Chancen, dass Ausserirdische über von SETI messbare Signale kommunizieren, äusserst gering ist. Mit einer 100 Millionenfachen Verstärkung hingegen lassen sich Zivilisationen wie die Menschheit (die hauptsächlich „Radiomüll“ ausstrahlen) über eine Entfernung von rund 100000 Lichtjahren (dies entspricht gerade dem Durchmesser der Galaxis!) gerade noch ausmachen. Wenn wir also wirklich „Radio-SETI“ betreiben wollen, sollten wir das innerhalb der Gravitationslinse der Sonne tun. Tatsächlich könnte das Universum voller Stimmen von unzähligen Zivilisationen sein, doch wir würden es nicht merken, da wir uns, so nahe an unserer Sonne, ohne Gravitationslinsenverstärkung, in einem „toten Winkel“ der interstellaren Kommunikation befinden.

Diese Version von „Radio-SETI“ hat allerdings einen grossen Nachteil: Da nur das Signal von Objekten verstärkt wird, die sich exakt hinter der Sonne befinden, müsste eine Raumsonde sehr lange fliegen, um auch nur einen winzigen Bruchteil aller Sterne „abzuklappern“. Die Alternative wäre, tausende dieser Teleskope auszuschicken, die dann simultan, über einen Zeitraum von einigen Jahrhunderten, alle Sternsysteme der Milchstrasse „abhören“ (und gleichzeitig kartieren, das heisst, ihre Planeten, Monde, Asteroiden katalogisieren) würden. Der Aufwand für diese Mission wäre gewaltig, doch nach dieser Zeit hätten wir Gewissheit darüber, wieviele technische Zivilisationen und wieviele erdähnliche, bewohnbare Planeten es in der Milchstrasse wirklich gibt. Die Möglichkeiten sind so fantastisch, dass man sich fragt, warum nicht schon lange an einer solche Expedition gearbeitet wird: Tatsächlich gibt es viele Ideen und auch erste reife Konzepte, doch das grösste Problem sind wie immer die Kosten.

Der Ring der Stimmen

Spinnen wir diesen Gedanken doch mal noch etwas weiter. In einem anderen, früheren Artikel habe ich eine Strategie vorgestellt, mit der sich die Galaxis erforschen lässt: Man baut kleine Raumsonden, die in der Lage sind, interstellare Distanzen zu überbrücken und die, einmal am Ziel angekommen, Kopien ihrer selbst bauen können, die dann wiederum zu den Sternen aufbrechen. Dabei halten alle Raumsonden miteinander Kontakt, tauschen Daten aus, bilden eine Art galaktisches Internet. Natürlich wären wir nicht die einzige intelligente Spezies, die auf diese effiziente Art der Erforschung der Galaxis gekommen wäre: Gehen wir davon aus, dass es in der Geschichte unserer Galaxis, der Milchstrasse, bereits viele Zivilisationen gegeben hat, die in der Lage waren, solche Raumsonden zu bauen, dann würden wir erwarten, dass jedes Sternsystem der Galaxis mindestens so viele Raumsonden enthält, wie es Zivilisationen gegeben hat. Und wo wäre der wahrscheinlichste Bereich, in dem sich eine solche Raumsonde aufhalten würde? Am Anfang würde sie die Nähe der Planeten suchen, um Daten und Rohstoffe zu sammeln, die sie dann verwenden kann, um die nächsten Kopien ihrer selbst herzustellen. Doch in den vielen Millionen Jahren danach kommuniziert sie mit den anderen Raumsonden ihrer Zivilisation, tauscht Daten über interstellare Entfernungen aus. Der beste Ort, dies zu tun, ist nicht das „Funkloch“ nahe am untersuchten Stern – der beste Ort, das zu tun, ist im Bereich des Gravitationslinsenfokus, bei der Sonne jenseits von 550 AU. Hier braucht sie nur sehr wenig Energie, um den Kontakt aufrecht zu erhalten, da die ein- und ausgehenden Meldungen durch die Gravitationslinse verstärkt werden. Da alle Raumsonden aller Zivilisationen vermutlich dieser Logik folgen würden, würde es in dieser Zone bald von Raumsonden unterschiedlichster Herkunft wimmeln. Die Raumsonden verschiedenster Zivilisationen würden hier Kontakt zueinander aufnehmen, vielleicht sogar ein lokales Informationsnetzwerk aufbauen. Die Zone der Gravitationslinsenfokussierung dehnt sich zwar kugelförmig um jeden Stern aus, doch da die meisten Zielsterne, mit denen die Sonden kommunizieren, in der galaktischen Ebene liegen, würden sich die Raumsonden grösstenteils auf einen Ring um Stern beschränken: Den „Ring der Stimmen“.

Könnte jeder Stern unserer Galaxis von einem „Ring der Stimmmen“ umgeben sein? Unsere heutigen Beobachtungsinstrumente können dies nicht entscheiden, ja nicht einmal das Superteleskop im Gravitationslinsenfokus könnte es. Wie steht es mit unserer Sonne? Hat auch sie einen „Ring der Stimmen“, gebildet aus unzähligen, uralten ausserirdischen Raumsonden? Was „denken“ die Raumsonden über die Entwicklung einer Zivilisation im Innern „ihres“ Sternsystems? Beobachten sie interessiert? Oder ist die Entstehung einer Zivilisation so trivial, dass nur eine Minderheit genauer hinschaut? Gibt es einen Kodex, der es verbietet, mit aufsteigenden Zivilisationen Kontakt aufzunehmen, so lange sie die Zone des Gravitationslinsenfokus noch nicht selber erreicht haben?

Eines Tages werden wir es wissen.

20 Comments

  • By Herbert, 4. Juni 2007 @ 01:54

    Hey Bynaus, guck mal, hat er das von Dir?
    http://www.heise.de/tp/r4/artikel/25/25056/1.html

  • By Bynaus, 6. Juni 2007 @ 17:43

    Hehe, Danke für den Link, den Artikel hatte ich gar nicht gesehen. Gerade im letzten Absatz fasst er quasi den Inhalt meines Artikels zusammen. Focal ist auf jeden Fall eine sehr interessante Mission – und wenn sich die Möglichkeit ergibt, eine kleine Kamera mitzuführen, die die Umgebung der Raumsonde nach extraterrestrischen Raumsonden absucht – umso besser. Man darf dabei aber nicht vergessen, dass der Raum jenseits von 550 AU gewaltig ist. Selbst, wenn Focal mit ihrer Kamera einen Bereich absuchen könnte, der so gross wie das Sonnensystem innerhalb der Neptunbahn ist, hätte sie trotzdem erst einen winzigen Teil (ca. 2 Promille, wenn man sich auf die galaktische Ebene = den \“Ring der Stimmen\“ beschränkt) abgedeckt. Dann kommt noch dazu, dass die 550 AU der Mindestabstand sind, bei dem der Gravitationslinseneffekt auftritt – weiter aussen tritt er genauso auf. Die Sonde könnte also auch bei 1000 AU um die Sonne kreisen, und es würde (für sie) letztlich keinen Unterschied machen. Die einzige Motivation, so nahe wie möglich an die Sonne zu rücken, könnte eine allenfalls höhere Konzentration von Körpern (der Oortschen Wolke) sein, die dort kreisen, etwa um Deuterium zur Energiegewinnung zu produzieren.

  • By captain kirk, 22. November 2007 @ 03:31

    hallo bynaus!
    warum bräuchte \“focal\“ jahre oder sogar jahrzehnte um 550 au weit zu fliegen.
    550 au sind 825 millionen kilometer. die raumsonde voyager 2 fliegt 60km pro sekunde d.h. 1,8 milliarden kilometer (!) im jahr.
    nach der rechnung bräuchte ein erdraumschiff mit \“focal\“ an bord nicht mal ein jahr bis zum gravitationslinsenfokus!
    oder habe ich mich irgendwie verrechnet?

  • By Bynaus, 22. November 2007 @ 13:21

    550 AU sind nicht 825 Millionen Kilometer, sondern rund 124 Milliarden Kilometer… 😉

  • By Unbekannter Gast, 15. Dezember 2007 @ 22:05

    ich könnt mir auch vorstellen dass die Oortsche Wolke teilweise aus solchen kleinen raumsonden besteht die unsere sonne als gravlinse benutzen
    da sie kugelförmig um die sonne liegt ist jede richtung abgedeckt
    …wer weiß? XD ….

  • By Joerschi, 23. Februar 2008 @ 19:36

    Da fragt man sich doch: theoretisch müsste dann ja auf quasi jedem Punkt von 550 AU – ca. 900 AU ein Stück hochaufgelöstes Stück Weltall vom exakt gegenüberliegenden Teil der Sonne abgebildet sein.
    Wenn man sich – rein hypothetisch – im Abstand von 700 AU nun eine kugelförmige Abbildungsfläche (ähnlich einer Dyson-Sphäre)vorstellt, welche das komplette Sonnensystem umschließt, würde darauf ja quasi das gesamte sichtbare Universum millionenfach vergrößert abgebilet – es gäbe also ein perfektes Bild der uns bekannten Welt (und wahrscheinlich noch weit darüber hinaus).
    Wie Fläche(km²) würde wohl solch eine Sphäre einnehmen:-) ? Und jetzt stelle man sich weiter vor – je potentiellen Aufnahmeort ein Teleskop, welches mit der heute besten Aufnahmequalität ein Bild fertigt (sagen wir je m² eine Aufnahme), welch ungeheure Datenmengen würden da wohl zusammenlaufen… Unvorstellbar…
    Vielleicht hat Bynaus ja Lust zum Rechnen 🙂

    Dies nur ein paar Samstags-Träumereien am Rande

  • By spoerl78, 22. Oktober 2008 @ 22:22

    Hallihallo,
    gibts auch ne Formel die beschreibt wie groß d ist wenn mehrere massive Körper auf einer Linie liegen würden,
    z.B. in einem Doppelsternsystem?

  • By heinz, 12. Februar 2009 @ 17:46

    wie lange wird sie noch fliegen??????????????????????ß

  • By Achim, 3. Mai 2009 @ 13:52

    Führt ein \“Blick\“ in Richtung Sonne, selbst in einem Abstand von 550 AE, nicht zur \“Blendung\“ eines Telekops?

  • By Bynaus, 4. Mai 2009 @ 13:15

    Die Sonne ist dort draussen etwa 300000 mal weniger hell – das klingt nach wenig, ist aber immer noch viel zu hell, um ein Teleskop, das es von der Lichtempfindlichkeit mit Hubble oder so aufnehmen kann, nicht zu blenden. Man blickt aber nicht direkt in die Sonne – denn die Sonne ist für Photonen der dahinter liegenden Sterne opak (undurchsichtig), das würde also nichts bringen. Die Gravitation der Sonne sollte aber das Licht dahinter liegender Sterne zum Teleskop hin biegen, das heisst, man schaut sich einen \“Ring\“ rund um die Sonne an. Im Prinzip kommt es nicht so sehr drauf an, an welchem Punkt man auf den Ring schaut, ein Objekt, das exakt hinter der Sonne durchzieht, sollte überall auf dem Ring gleich gut abgebildet werden. Es wäre natürlich auch ein Teleskop denkbar, das genau so gebaut ist, dass es den ganzen Ring beobachtet, aber nicht die Sonne, etwa, weil ein sogenannter \“Koronograph\“ die Sonne in der Mitte des Blickfeldes verdeckt.

  • By Achim, 4. Mai 2009 @ 15:35

    Danke!

  • By schlaumeier, 17. Juni 2009 @ 02:29

    550 AE sind wieviele km? Ja,ja – rechnen ist Glückssache;-)

  • By Bynaus, 18. Juni 2009 @ 12:05

    Habe ich irgendwo eine falsche Zahl geschrieben?

    Bei 150 Mio km pro AE sind 550 AE natürlich 82.5 Milliarden Kilometer.

  • By Thanathos, 13. März 2010 @ 11:55

    Ich frage mich wie die Bilder eines großen Teleskops, welches die Gravitationslinse eines Objekts mit sagen wir mal etwa 4,31 Millionen Sonnenmassen beuzt, aussehen.

    Wäre eine Zivilisation nicht gesegnet, dessen Sternensystem sich im „Fokus“ der Gravitationslinse des Supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße befindet … und wäre diese (wie ich glaube) 37 500 Lichtjahre von Zentrum entfernt …
    Und wenn diese Berechnung nicht stimmt wie weit wäre das …

    Aber ich kann mir Vorstellen das eine galaktische Zivilisation Von-Neumann-Sonden entwickelt hat, welche die Aufgabe hatten (haben), sich zu vermehren und sich in der passenden Entfernung zum Supermassiven Schwarzen Loch aufzuteilen und das Universum zu erforschen … .

    FG Thanathos

  • By Unbekannter Gast, 25. Juni 2010 @ 14:17

    @Bynaus hehe ich löse mal die Unterhaltung die einige Jahre dauerte auf:

    Schlaumeier hat letztes Jahr geschrieben:

    550 AE sind wieviele km? Ja,ja – rechnen ist Glückssache;-)

    Daraufhin du:

    Habe ich irgendwo eine falsche Zahl geschrieben?

    Bei 150 Mio km pro AE sind 550 AE natürlich 82.5 Milliarden Kilometer.

    Du dachtest im Artikel aber er bezog sich auf deinen Kommentar aus dem Jahre 2007:

    550 AU sind nicht 825 Millionen Kilometer, sondern rund 124 Milliarden Kilometer… 😉

    Hat ganze 3 Jahre gedauert das zu klären 🙂

  • By ralf, 18. September 2011 @ 16:56

    Der Grafitationslinseneffekt ist natürlich schon sehr interessant, leider hängen aber auch diese Trauben scheinbar extrem hoch, zumindest wenn wir mal etwas von den Spinnereien wegkommen wollen.
    550 AE ist halt verdammt weit, auch Asteroiden ließen sich dafür nicht „vergewaltigen“, da sie bis maximal so 50 AE rausfliegen, also gerade einmal 1/10 der nötigen Entfernung. Und leider gibt es auch keine sehr massenreichen Sterne in der nächsten Umgebung (sagen wir mal so 50 LJ, und leider ist bei ca. 150 Sonnenmassen sowieso Schluss), sodass dieser Effekt auch nicht direkt von der Erde oder aus dem erdnahen Raum genutzt werden könnte…aber vielleicht haben eben andere den riesigen Vorteil in einer Entfernung von vielleicht 1,5 LJ einen Stern mit 150 Sonnenmassen zu haben, und sie müssen gar keine großen Aufwendungen treiben, um uns auf ihre Linse zu bekommen…;-)
    Nun, wir eben nicht…aber mal angenommen, wir könnten die drei Lichttage Entfernung irgendwie überwinden. Der technologische Fortschritt bei Teleskopen (Hubble, Keppler, die erdgebundenen) ist ja nun nicht gering. Was würde uns denn eigentlich erwarten, wenn wir diese Möglichkeiten mit dem Grafitationslinseneffekt der Sonne kombinieren !? Sicherlich eine Menge. Mit der Beugung des Lichtes ist natürlich auch eine Frequenzverschiebung verbunden, aber das sind sicherlich beherrschbare Effekte.
    Aber ich glaube erstens nicht, dass einer soviel Geld in die Hand nimmt, und zweitens glaube ich nicht, dass wir in den nächsten zwei bis dreihundert Jahre dahinkommen, Flugzeit eingerechnet. Aber es wäre schon eine phantastische Vorstellung irgendwann dieses Schlüsselloch ins Universum nutzen zu können, vielleicht ist es irgendwann ja nicht ganz unmöglich…

  • By Matthias Meier, 19. September 2011 @ 10:36

    Es gibt durchaus Asteroiden, die viel weiter als 50 AU „rausfliegen“. Sedna z.B., oder ein paar andere „extreme“ Asteroiden, die sich auf bis zu ~1000 AU von der Sonne entfernen. Allerdings nützt das nicht viel, denn sie brauchen Tausende Jahre, um dorthin zu kommen – wir wollen aber natürlich schneller dahin.

    Auch ein massereicher Stern in der Umgebung würde nichts nützen, wir könnten ja damit nur die Sterne direkt „hinter“ dem massenreichen Stern vergrössern – was wir wollen, wäre ein Teleskop, das in ALLE Richtungen schauen kann. Am besten wäre, die Sonne würde in grosser Entfernung von einem Weissen Zwerg oder einem Neutronenstern umkreist (was natürlich nicht der Fall ist…). So bleibt uns fürs Erste nichts anderes übrig, als selbst hinzufliegen. Ich bin zuversichtlich, dass wir in den nächsten 50 Jahren zumindest eine erste solche Sonde losschicken werden. Möglich wird das z.B., wenn man einen erstaunlich erdähnlichen Planeten in einem anderen Sternsystem entdecken würde. Eine Mission zum Gravitationsfokus könnte diesen Planeten dann in sehr hoher Auflösung kartieren. Es ist denkbar, dass wir innerhalb der nächsten 20 Jahre einen solchen Planeten finden. Eine solche Sonde muss auch nicht unbedingt teuer sein: alles, was es braucht, ist ein Antrieb, der die Distanzen überwinden kann. Und da gibt es schon heute viele „Low-Tech“-Ideen, wie etwa das elektrische Segel. Damit liessen sich Geschwindigkeiten von 400 km/s erreichen, oder ~6 Jahre zum Graviationslinsenfokus.

  • By Marco, 24. April 2014 @ 00:33

    Nach meiner Rechnung wäre dann ein 10 Lichtjahre entfernter Stern nur noch 945-tausend Kilometer entfernt; verbrennt man sich da nicht die Augen bzw. die sensible Kamera? Könnten dann dort ausversehen Asteroiden explodieren weil sie in den Focus z.B. von Sirius A geraten?

  • By Matthias Meier, 24. April 2014 @ 08:37

    Ich weiss nicht, wie du das genau gerechnet hast. Die Linse führt dazu, dass man den Stern (oder was auch immer gerade hinter der Linse ist) so sieht, als sei er in etwa soweit entfernt wie die Linse selbst, also etwa 500 AU. In dieser Entfernung ist auch die Strahlung von Sirius A kein Problem mehr.

  • By Frido, 26. August 2016 @ 00:08

    Mit der Entdeckung von Proxima b haben wir jetzt wohl ein Ziel, für das sich ein solches Teleskop auf jeden Fall lohnen würde. Technisch wäre das wohl auch ohne neuartige Antriebsmethoden möglich, wenn man die Sonde mit einem Slingshot am Jupiter auf eine sonnennahe Bahn bringt und im Perihelion unter Ausnutzung des Oberth-Effekts Raketen zündet. Mit guter thermaler Protektion könnte eine hyperbolische Geschwindigkeit von an die 100 km/s erreicht werden, dann wäre die Sonde in rund 25 Jahren im Gravitationslinsenfokus.

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