Evidenz für eine flüssige Sonne

29.01.2015

Eine bisher wenig erforschte Form von metallischen Wasserstoff könnte den herrschenden Theorien über unseren Stern den Boden entziehen. Die solare Astrophysik steckt den Kopf in den Sand

Man wird das Gefühl nicht los, dass künftige Generationen einmal den Kopf schütteln werden, dass man die Bilder einer spektakulären Sonneneruption wie dieser jemals anders interpretiert hat als flüssiges Material, das aus einer brodelnden Sonnenoberfläche herausgeschleudert wird. Zu deutlich sind die Spuren der Zerstäubung, zu evident das explosionsartige Aufleuchten, als das zurückfallende Material auf die Sonnenoberfläche prallt.

Einen schweren Stand hat dagegen hat die Hypothese des Standard-Sonnenmodells, nach dem es diese Oberfläche gar nicht geben darf. Sie sei nur eine Illusion, die durch Gas- bzw. Plasmaschichten verschiedener Dichte hervorgerufen werde. Aber die phantastischen Bilder von der Sonne sind einfach viel zu strukturiert, als dass sie mit einem einzigen Aggregatzustand erklärt werden können. Die brodelnde Oberfläche ist nicht nicht nur eine oft gebrauchte Metapher, sondern eine sich dem unvoreingenommenen Beobachter aufdrängende Realität. Die konventionelle Astrophysik weigert sich dennoch, darüber auch nur zu diskutieren, obwohl Pierre-Marie Robitaille, ein renommierter Wissenschaftler, dafür ausgezeichnete Argumente anführt (vgl. Ist die Sonne wirklich gasförmig?).

Fibrillen der Chromosphäre. Bild: Vasco Henriques/Institute for Solar Physics, Sweden

Unberücksichtigte Doppelnatur des Wasserstoffs

Der Grund, weswegen man an die so gut sichtbare Oberfläche nicht glauben mochte, liegt darin, dass man flüssigen Wasserstoff in der Photosphäre bisher für ein Ding der Unmöglichkeit hielt. Dies ist falsch, denn Wasserstoff könnte dort sehr wohl in einer flüssigen metallischen Form unter moderaten Druckbedingungen existieren. Der Grund dafür ist eigentlich gar nicht schwer zu verstehen, verlangt aber einen kurzen Ausflug in elementare Chemie.

Die sogenannten Alkalimetalle haben gemeinsam, dass sie ein nur schwach gebundenes Elektron in ihrer äußersten Schale gerne abgeben und einer elektrisch leitenden "Ladungswolke" zur Verfügung stellen, während die positiv geladenen Atomrümpfe ein Gitter oder eine Flüssigkeit bilden. Betrachtet man die Reihe der Alkalimetalle (von schwer nach leicht) Rubidium, Kalium, Natrium und Lithium, so fällt auf, dass die Siedepunkte kontinuierlich von 930 Kelvin1 (Rb), 1050 K, 1150 K bis auf 1600 K beim Lithium ansteigen.

Gäbe es noch ein leichteres Alkalimetall, müsste man es wohl in einem flüssigen Zustand noch bei mehreren Tausend Kelvin erwarten. Dieses noch leichtere, "nullte" Alkalimetall ist Wasserstoff, worauf bereits 1935 die Physiker Huntington und Wigner (ein Nobelpreisträger) hingewiesen hatten. Überraschenderweise hat Wasserstoff als leichtestes und einfachstes Atom, das nur aus Proton und Elektron besteht, die besondere Eigenschaft, sich in zwei grundverschiedenen "Gesellschaftsformen" zu organisieren, nämlich einerseits als Metall, andererseits als gewöhnliches zweiatomiges Molekül.

Unter irdischen Temperatur- und Druckbedingungen bevorzugt Wasserstoff die letztere Form, die entsprechend genau untersucht ist und bei tiefen Temperaturen auch eine (molekulare) Flüssigkeit bildet. Robitaille wies als erster darauf hin, dass die Sonne aus der dichteren, aber für uns fremden Form des flüssigen metallischen Wasserstoffs bestehen könnte.

Einhundert Jahre Modellbildung wäre falsch

Für die konventionelle Astrophysik enthält diese Sicht der Dinge erheblichen Sprengstoff. Wer nach einer schnellen Widerlegung von Robitailles Thesen googeln will, findet auch bald heraus, dass sich molekularer Wasserstoff sich erst ab einem immensen Druck von 250 Gigapascal - mehr als millionenfacher Atmosphärendruck und sicher unrealistisch für die Sonnenoberfläche - dazu bewegen lässt, von der molekularen sich in die metallische Phase umzuwandeln.

Das bedeutet aber keineswegs, dass wenn die Umwandlung (zum Beispiel im Sonneninneren) einmal erfolgt ist, Wasserstoff nicht auch bei viel geringeren Drücken metallisch bleiben kann - so wie es die gemessenen Eigenschaften der Alkalimetalle erwarten lassen. Die Tatsache, dass Wasserstoff sehr gerne Moleküle bildet, bedeutet eben nicht, dass er nicht ebenso gerne eine metallische Phase formt, auch wenn sich diese beiden Zustände sich nur unter enormem Energieaufwand ineinander überführen lassen. Wenn man eine soziologische Analogie bilden will, können grundverschiedene Gesellschaftsformen sehr stabil sein, während die wechselseitige Umwandlung oft nur unter roher Gewalt stattfindet.

Der Establishment-Test

Dass metallischer Wasserstoff also keineswegs so exotisch ist, hat übrigens kürzlich eine Forschergruppe in Harvard erkannt, welche ihn als Raketentreibstoff verwenden will. Offenbar forscht auch die NASA intensiv daran, wobei man explizit davon ausgeht, dass Wasserstoff auch unter "normalen" Bedingungen eine metallische Flüssigkeit sein kann - sonst könnte man ihn ja kaum in einen Tank füllen. Es gibt nur zwei Möglichkeiten: Die NASA gibt viel Geld für ein Hirngespinst aus oder der Astrophysik hat jahrzehntelang eine Substanz übersehen, aus der die Sterne bestehen könnten.

Wohlgemerkt: Mich selbst überzeugt die in den Eigenschaften der Alkalimetalle enthaltene Logik mehr als die Tatsache, dass Forscher in Harvard, bei der NASA oder wo auch immer den metastabilen Zustand für möglich halten. Da man Robitailles Thesen aber fast nur mit derartigen formalen Argumenten begegnet (wie in einem Beitrag, der unter anderem die durchschnittliche Seitenzahl von Robitailles Artikeln analysiert), muss dies auch mal gesagt werden.

Natürlich ist die Existenz des flüssigen Wasserstoffs bei niedrigem Druck bis jetzt nur eine interessante, wenn auch gut begründbare Hypothese. Es gehört aber sicherlich zu den Schizophrenien eines spezialisierten Wissenschaftsbetriebes, dass in einem Gebiet eine Idee als heißes Forschungsthema gilt, in einem anderen als so verrückt, dass sich eine Diskussion darüber erübrigt.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die oben erwähnte spektakuläre Sonneneruption mit einiger Mühe auch im Rahmen des bisherigen Modells gedeutet wurde. Man wunderte sich dabei über die "ungewöhnlich hohe Dichte des zurückfallenden Materials" (S.11).

Gesprächsversuche

Wie reagiert nun die Community der Sonnenphysiker, wenn man sie mit Robitailles Thesen konfrontiert? Bei der Tagung der Astronomischen Gesellschaft in Bamberg hatte ich jüngst Gelegenheit, dies mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung und des Kiepenheuer-Instituts für Sonnenphysik zu diskutieren. Ich versuche, einige Argumente kurz wiederzugeben. Man korrigiere mich bei Unvollständigkeit.

Wie bereits früher dargestellt, verlangt die Annahme, die Sonne sei gasförmig, ein überaus kompliziertes und durchaus widersprüchliches Modell, um die Farbzusammensetzung des Sonnenlichtes überhaupt zu erklären. Ein mit Computersimulationen von Sonnenflecken befasster Forscher verwies darauf, dass das Modell bei deren Vorhersage sich lange bewährt habe. Wenn etwas grundlegend falsch wäre, wäre dies im Rahmen der Simulationen schon längst aufgefallen. Im Übrigen sei er nicht ausgesprochener Experte in Bezug auf das Modell der Lichtemission.

Im Hinblick auf das Standard-Sonnenmodell erläuterte ein anderer Forscher, der Mechanismus der Lichtemission in einer überraschend dünnen Schicht sei geklärt und empfahl mir, die Literatur "genau zu lesen". Sucht man zum Beispiel in einem bekannten Lehrbuch2 auf den Grund zu gehen, wie das Modell die erstaunliche Lichtundurchlässigkeit unterhalb der Photosphäre rechtfertigt, werden zwar eine Reihe von Mechanismen aufgezählt, aber schließlich auf Tabellen von "ausführlichen Opazitätsberechnungen" an zwei großen amerikanischen Laboratorien verwiesen (S. 50).

Die ausstehende Antwort auf das von Robitaille so klar formulierte Problem, wie das Sonnenspektrum in dieser Form überhaupt entstehen kann, verliert sich so in Verzweigungen und Literaturverweisen auf große Gruppen, die dies irgendwann einmal gerechnet haben. Dies soll kein Vorwurf an die heutigen Forscher sein. Aber es sollte auch bitte niemand behaupten, jene Veröffentlichungen wirklich geprüft oder gar kritisch durchdacht zu haben.

Meist wird übrigens sogar eingeräumt, man sei kein Experte auf diesem oder jenem Teil-Fachgebiet. So betonte der Modellierer, er sein kein Experte für Opazität, während der ein anderer Fachmann für Sonnenflecken einschränkte, die Photosphäre sei nicht sein Spezialgebiet usw. Berührt Robitailles Argumentation dann ein Feld außerhalb der unmittelbaren Expertise, wird dies jedoch nicht in dem Sinne "interessant, dem müsste ich mal nachgehen" kommentiert, sondern stets im Sinne von: "Ich bin nicht zuständig, kann also auch nicht zustimmen."

Argument Achselzucken

Besonders ausgeprägt zeigte sich dies bei der Diskussion über die Möglichkeit eines metastabilen metallischen Zustands von Wasserstoff, die ja thematisch weit entfernte Gebiete der Festkörperphysik und physikalischen Chemie berührt. Die Reaktion auf die Frage, ob metallischer Wasserstoff nicht als Bestandteil der Sonne in Frage käme, war durchweg: Man könne sich das nicht vorstellen. Im Übrigen kenne man sich in der Metallphysik viel zu wenig aus. Punkt. Dies mögen ehrliche Antworten sein, das Bizarre daran ist jedoch, dass in der naturwissenschaftlichen Debatte das Unwissen über die Grundlagen allgemeiner Physik zu einem Gegenargument mutiert ist.

Ich habe in den Unterhaltungen den Eindruck gewonnen, dass es überhaupt nur einen Forscher gibt, der fundiert zu allen relevanten Aspekten der Sonne recherchiert, argumentiert und publiziert hat und somit den Namen "Experte" der Sonnenphysik verdient: Pierre-Marie Robitaille. Genau dies scheint ihm zum Verhängnis zu werden.

Und so werden Astronomen aus der zweiten Reihe sicherlich wieder ohne Belege darüber schwadronieren, dass Robitaille "ein sehr lückenhaftes Verständnis astronomischer Zusammenhänge" offenbare oder ähnliches. Bleibt zu hoffen, dass die aktuell zu Tage tretende Medienkrise, die die Öffentlichkeit trainiert, auch in der Wissenschaft die Sachargumente von den polemischen zu trennen und mit gesundem Menschenverstand Evidenz zu bewerten. Telepolis lädt ein, Robitailles Argumenten in der Sache entgegenzutreten.

Dr. Alexander Unzicker ist Physiker, Jurist und Sachbuchautor. Sein Buch "Vom Urknall zum Durchknall" wurde 2010 von "Bild der Wissenschaft" als Wissenschaftsbuch des Jahres ausgezeichnet, zwei seiner Bücher sind auch auf Englisch erschienen. In seiner Kolumne "Hinterfragt" bei Telepolis greift er mit einem kritischen Blick Themen rund um die Physik auf.

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