Die Solar-FAQ

Sonenneutrinos und andere sonnenbezogene Kuriositäten

[Text zuletzt aktualisiert: 10. Januar 2003]

[Links aktualisiert: 27. Juli 2003]

Inhalt

Einleitung
Wie funktioniert die Sonne?
Probleme der Sonnenneutrinos
Lösungen für das Sonnenneutrino-Problem
Kreationistische Argumente zur Sonne
Literaturverzeichnis

Einführung

Die Sonne scheint von einem blauen Himmel und liefert tausend Watt Leistung auf jeden Quadratmeter der Erde. Sie tut dies seit jeher, ohne nennenswerte Änderungen. Die einzige vernünftige Energiequelle, die wir kennen und die die Sonne so am Laufen halten kann, ist die Kernfusion. Ein unvermeidliches Nebenprodukt der Fusion ist ein starker Teilchenstrom, der Neutrinos genannt wird. Neutrino-Detektoren auf der Erde finden tatsächlich Neutrinos, die von der Sonne kommen, und der beobachtete Fluss ist der richtigen Größenordnung, was bestätigt, dass die Fusion tatsächlich in der Sonne stattfindet.

Aber als detaillierte Berechnungen des erwarteten Neutrino-Flusses vor etwa 30 Jahren mit Messungen konfrontiert wurden, zeigte sich eine signifikante Diskrepanz. Nur etwa die Hälfte der erwarteten Neutrinos konnte gefunden werden. Diese Anomalie bestand bis vor kurzem fort und wird als das „solarneutrino-Problem" bezeichnet. Für alle nitty-gritty Details des solarneutrino-Problems, wie es vor seiner Lösung erschien, siehe John Bahcalls autoritatives Buch Neutrino Astrophysics (Bahcall 1989), ergänzt durch seine neueren Updates (Bahcall 1997a; Bahcall & Krastev & Smirnov 1998), und mit einer zugänglicheren Einführung in Bahcall (1990).

Wie bei vielen anderen Anomalien in der Wissenschaft haben Kreationisten (z. B. Oard 1995, Snelling 1997, Sarfati 2000) das solare Neutrinoproblem als Beleg für grundlegendere Probleme in der orthodoxen „uniformitären" Wissenschaft herangezogen. Kurz gesagt wird argumentiert, dass, da der Neutrinofluss falsch ist, nicht genug Fusion in der Sonne stattfinden kann; in diesem Fall könnte die Sonne nicht Milliarden von Jahren lang leuchten, und sie muss daher vor kurzem erschaffen worden sein.

In diesem FAQ werde ich zunächst die Standardansicht der inneren Funktionsweise der Sonne beschreiben und dann zu Neutrinos übergehen, was sie sind und was wir von der Sonne von ihnen erwarten. Anschließend werde ich verschiedene mögliche Lösungen für das solare Neutrino-Problem erörtern. Schließlich werden die kreationistischen Argumente bezüglich solarer Neutrinos und anderer solarer Anomalien, reale und fiktive, behandelt. Dieser letzte Abschnitt, mit Antworten auf kreationistische Behauptungen, ist eher kurz; der Großteil des faq befindet sich in den ausführlichen einführenden Abschnitten, die alle Hintergrundkenntnisse enthalten, die benötigt werden, um die Antworten zu verstehen.

Wie funktioniert die Sonne?

Heute verfügen wir über ein kohärentes Bild der inneren Struktur und Funktion der Sonne, das durch mehrere unabhängige Belege gestützt wird. Doch dieses Sonnenmodell ist ein relativ junges Konstrukt, und die stützenden Belege sind es noch mehr.

Historie

Spekulationen über die Natur der Sonne sind so alt wie die aufgezeichnete Geschichte, doch ich werde mich nicht mit den eher phantastischen Versionen der Vergangenheit beschäftigen, da sie für die Frage der Sonnenneutrinos nicht relevant sind. Wenn wir uns auf die ernsthafte Erforschung der Sonne beschränken, ist das Mitte des 19.^th-Jahrhunderts ein guter Ausgangspunkt, mit drei wichtigen Entdeckungen:

Das Konzept der Energie und die damit verbundene thermodynamische Maschinerie, die zur Erkenntnis führte, dass der Sonnenenergiefluss von irgendwoher kommen muss.
Die Entdeckung, dass die Sonne nicht einzigartig ist, sondern Gegenstücke unter den Sternen hat. Jeder Stern ist eine Sonne.
Die Entdeckung (durch Spektroskopie), dass die Sonne aus den üblichen chemischen Elementen besteht, wie wir sie auch hier auf der Erde finden, und dass sie mit einer Temperatur von etwa 6000 Grad C. leuchtet.

The issue of where the sun's energy came from turned out to be a thorny one. It was rapidly realized that none of our terrestrial energy sources would be adequate. If the sun, for example, consisted of some fuel that could burn, it would burn out in a matter of centuries, nowhere near enough to illuminate all of recorded history, and never mind the long prehistory of the earth.

Eine der führenden Theorien zur Entstehung der Sonne war (und ist) die im 18. Jahrhundert von Kant und Laplace entwickelte Nebeltheorie, wonach sich die Sonne durch die gravitative Kontraktion einer großen Gaswolke bildete. Die potenzielle Gravitationsenergie der Wolke würde als Wärme freigesetzt werden, während sie sich kontrahierte, und Hermann Helmholtz erkannte, dass dies eine mögliche Energiequelle für die Sonne sein könnte, sofern sie sich noch in der Kontraktionsphase befand. William Thomson (besser bekannt als Lord Kelvin) entwickelte und verbreitete diese Theorie während der letzten Jahrzehnte des 19^th Jahrhunderts. Es war jedoch klar, dass diese Energiequelle, obwohl sie nach menschlichen Maßstäben reichlich vorhanden war, nicht ewig dauern konnte. Verschiedene Berechnungen ergaben Grenzen in der Größenordnung von einigen zehn Millionen Jahren an konstantem Sonnenschein: "...es wäre, denke ich, außerordentlich voreilig, anzunehmen, dass mehr als zwanzig Millionen Jahre Sonnenlicht in der Vergangenheit der Erde wahrscheinlich sind, oder auf mehr als fünf oder sechs Millionen Jahre Sonnenlicht für die Zukunft zu rechnen" (Thomson 1889, S. 369).

Dieses Alter war für viele problematisch; es war für biblische Fundamentalisten zu lang, aber für Geologen und Biologen zu kurz, die erkennen konnten, dass die Erde und ihre Fauna eine viel längere Geschichte hatten. Physiker wie Lord Kelvin kümmerten sich jedoch nicht um die Meinung von Fundamentalisten oder Biologen, sodass ihre Argumente wenig Wirkung hatten. Doch dieses Alter für die Sonne war auch in der Astronomie problematisch; die Sonne war nur einer von vielen Sternen, und wenn – was durchaus vernünftig ist – angenommen wird, dass alle Sterne gleich funktionieren, folgen Widersprüche. Zum Beispiel variiert die Zeitskala für die gravitative Kontraktion stark mit der Größe des Sterns (Eddington 1916, 1917; Hayashi 1961); größere Sterne kollabieren und kühlen sich viel schneller ab als sonnenähnliche. Nach zwanzig Millionen Jahren sollten alle großen Sterne verschwunden sein, wenn sie zur gleichen Zeit wie die Sonne geschaffen worden wären.

Alternativ könnte man annehmen, dass die Sternentstehung ein laufender Prozess ist, sodass der Himmel mit Sternen aller verschiedenen Alters gefüllt ist. In diesem Fall gäbe es jedoch kein bestimmtes Muster, wenn man Sterngrößen, Temperaturen und Leuchtkräfte vergleicht. Sterne aller Größen sollten zunächst kühl sein, dann heißer und dichter werden und schließlich wieder abkühlen und zu kalten, kompakten Objekten werden. Größere, massereichere Sterne sollten im Allgemeinen leuchtstärker sein als kleinere, aber es gibt keinen Grund, eine Beziehung zur Temperatur zu erwarten. Dies steht in scharfem Widerspruch zur Entdeckung durch Hertzsprung und Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914), dass die überwältigende Mehrheit der Sterne ein solches Muster aufweisen, wenn sie in einem Hertzsprung-Russell-Diagramm (z. B. hier) aufgetragen werden. Eddington (1924) entwickelte diese Ideen weiter und zeigte, dass die einzige vernünftige Schlussfolgerung darin besteht, dass Sterne zunächst zusammenziehen (und durch Gravitationsenergie leuchten), aber dann ein Gleichgewicht entlang dessen erreichen, was heute als "Hauptreihe" bekannt ist. Gravitationsenergie kann dieses Gleichgewicht nicht erklären; eine neue Energiequelle ist erforderlich.

Ein weiteres Argument stammt von veränderlichen Sternen (Eddington 1920). Viele Sterne oszillieren regelmäßig, aber eine anhaltende Kontraktion würde die Oszillationsfrequenz innerhalb weniger Jahrzehnte messbar verändern. Solche Veränderungen wurden nicht beobachtet, was zu starken oberen Grenzen für die mögliche Kontraktionsrate führte, die mit den Vorhersagen der Gravitationsenergie-Theorie unvereinbar sind.

Daher stammte die Suche nach einer neuen Energiequelle für die Sonne, wie allgemein angenommen, nicht primär aus dem Wunsch, genügend Zeit für die biologische Evolution bereitzustellen. Im Gegenteil, Kelvin und andere waren bei ihrer Meinung, dass Biologie und Geologie sich an den durch die Physik des 19. Jahrhunderts vorgegebenen Zeitskala anpassen müssten und sich die Milliarden von Jahren verabschieden (Barnes 1974), sehr bestimmt. Doch, wie wir gesehen haben, wurde im frühen 20. Jahrhundert festgestellt, dass allein aus astronomischen Gründen eine neue Energiequelle benötigt wurde. Die innere Struktur von Sternen war von Eddington und anderen (Eddington 1920) bereits vor der Entdeckung der Kernfusion erarbeitet worden und wurde nur dann mit astronomischen Beobachtungen vereinbar, wenn eine neue Energiequelle postuliert wurde.

In der Suche nach einer neuen Energiequelle, die im frühen 20^th Jahrhundert stattfand, spielte Radioaktivität (seriendipitös von Henri Becquerel im Jahr 1896 entdeckt) eine prominente Rolle. Eddington (1920) spekulierte über die Möglichkeit der Umwandlung von Elementen, nach dem Muster der damals jüngsten Experimente von Rutherford. Viele andere, insbesondere George Gamow, trugen durch die 1920er und 30er Jahre zu dieser Diskussion bei, aber Bethe (1939) wird allgemein als das wegweisende Werk betrachtet, das die Fusion als eine lebensfähige Energiequelle für Sterne etablierte.

Durch die Arbeit von Bethe und anderen wurde schnell erkannt, dass die Fusion als gewünschte Energiequelle für Sterne hervorragend geeignet ist. Alle verschiedenen Muster und Beziehungen zwischen Masse, Temperatur, Leuchtkraft und ähnlichem, die zu der Zeit bekannt waren, wurden durch die Annahme einer Fusion im Sterninneren gut erklärt. Und die herrschenden Bedingungen im Inneren der Sonne und anderer Sterne (berechnet von Eddington (1916, 1917) und anderen lange vor Bettes Arbeit) waren genau diejenigen, bei denen Fusionsreaktionen mit einer angemessenen Rate ablaufen. Zufälligerweise stellte sich auch heraus, dass die Lebensdauer eines von der Fusion angetriebenen Sterns derselben Größenordnung entspricht wie das Alter der Erde, was das Problem der Geologen löste.

Stand des Standard-Sonnenmodells heute

Der Status des Standard-Sonnenmodells heute kann nicht anders als in exzellenter Verfassung beschrieben werden. Fast alles passt sich perfekt zusammen, sogar die Neutrinos heutzutage. Die Sonne ist eine riesige Kugel aus ionisiertem Gas, hauptsächlich Wasserstoff und Helium, mit einem Prozent oder so aller anderen Elemente zusammen gemischt. Was direkt beobachtbar ist, sind die Oberflächenbedingungen sowie die Gesamtmasse und Leuchtkraft. Diese Beobachtungen, zusammen mit der Annahme, dass die Physik, wie wir sie kennen, auch im Inneren gilt, reichen aus, um im erheblichen Detail zu berechnen, was im Inneren der Sonne vor sich geht. Es ist nicht notwendig, spezifische Annahmen über das Alter der Sonne oder ihre Energiequelle zu treffen.

Frühe (vor dem Computer) Berechnungen wurden unter der Annahme durchgeführt, dass die Sonne sich dem Gleichgewicht nähert und in einem stationären Zustand leuchtet. Dies ist immer noch eine recht gute Näherung, erfordert jedoch die Annahme, dass die Sonne alt genug ist, um das Gleichgewicht erreicht zu haben. Vollständigere Modelle beginnen stattdessen mit einer Null-Alters-Sonne (oder sogar nur mit einer kollabierenden Gaswolke) und verfolgen dann die Entwicklung der Sonne, bis die berechneten Oberflächenbedingungen denen entsprechen, die heute beobachtet werden. Diese Modelle machen weniger Annahmen, aber die Gleichungen können nur numerisch gelöst werden, und selbst dann erfordern sie beträchtliche Rechenzeiten.

Die Gleichgewichtsgleichungen werden in jedem anständigen Astrophysik-Lehrbuch beschrieben und hergeleitet, wie z. B. in Karttunen et al. (1994), dem ich hier folge. Es gibt vier Hauptgleichgewichtsbedingungen:

Hydrostatisches Gleichgewicht: Der Druck innerhalb der Sonne ist bei allen Radien ausreichend, um das Gewicht des darüberliegenden Materials zu tragen. Jede Abweichung vom Gleichgewicht würde dazu führen, dass sich die Sonne innerhalb weniger Stunden drastisch verändern würde, was offensichtlich nicht der Fall ist.
Massenverteilung: Das Dichteprofil innerhalb der Sonne, integriert über das gesamte Volumen, muss die Gesamtmasse der Sonne ergeben, die aus orbitalen Studien wohlbekannt ist.
Energiefluss: Die Energie, die durch die Sonne nach außen transportiert wird, muss bei allen Radien gleich der Energie sein, die (auf welche Weise auch immer) innerhalb dieses Radius erzeugt wird. An der Oberfläche muss der Energiefluss der gemessenen Leuchtkraft entsprechen.
Temperaturgradient: Der Temperaturgradient vom Zentrum zur Oberfläche muss so sein, dass der Energiefluss mit der richtigen Rate angetrieben wird, während gleichzeitig die Temperatur in allen Tiefen mit dem Druck und der Dichte des Gases in dieser Tiefe übereinstimmen muss, gemäß den Hochtemperaturversionen der idealen Gasgesetze.

The last two points require thermal timescales, on the order of the Kelvin-Helmholtz cooling timescale (tens of millions of years) mentioned in the previous section, to attain equilibrium.

Die Energieflussgleichung wird weiter durch die Tatsache kompliziert, dass es in Sternen zwei konkurrierende Energietransportmechanismen von vergleichbarer Größenordnung gibt: Strahlung und Konvektion (Wärmeleitung ist vernachlässigbar). Der radiative Energietransport findet statt, wenn Strahlung von heißerem Material emittiert und von kühlerem Material weiter vom Zentrum entfernt wieder absorbiert wird; dieser Prozess ist stets wirksam, aber seine Effizienz hängt stark von der Transparenz des Materials ab. Konvektion, die vertraute aufsteigende Bewegung, die man beim Erhitzen von Suppe in einem Topf beobachten kann, tritt auf, sobald die Dichte des darunterliegenden Materials geringer ist als die Dichte des Materials darüber. Es ist ein sehr effizienter Modus des Energietransports, ist aber nur in bestimmten Bereichen der Sonne wirksam, wo der Dichtegradient genau stimmt. Ein entscheidender Unterschied zwischen Strahlung und Konvektion besteht darin, dass das solare Material in den Bereichen, in denen Konvektion auftritt, durchmischt und homogenisiert wird, während es durch radiativen Transport nicht durchmischt wird. Das genaue Gleichgewicht zwischen Strahlung und Konvektion ist bei verschiedenen Sternentypen unterschiedlich; in unserer Sonne findet Konvektion in den äußersten 30 % statt, während nur radiativer Transport im Kern wirksam ist. Da jedoch die Energieerzeugung fast ausschließlich im Kern stattfindet, bleiben neu durch Kernprozesse gebildete Elemente dort, wo sie sind, und werden nicht über die gesamte Sonne verteilt.

Die Lösung dieses Systems von vier Differentialgleichungen liefert den inneren Zustand der Sonne (oder eines anderen Sterns) in Bezug auf Druck, Temperatur und Dichte unter Verwendung der Standardlaborphysik, unter der Annahme, dass sie sich in einem stationären Zustand befindet.

Der nächste Schritt, ein vollständiges numerisches Modell der Sternentwicklung zu verwenden, liefert zusätzliche Informationen über das Alter, die Zusammensetzung und die inneren Prozesse des Sterns. Es werden sehr ähnliche Gleichungen verwendet, wobei die Gleichgewichtsbedingungen gelockert werden, und der Stern wird von seiner Entstehung bis zum heutigen Tag (oder weiter, falls gewünscht) verfolgt, wobei alle bekannten Prozesse und Energiequellen berücksichtigt werden, die wirksam sein können. Die Helmholtz-Kontraktionsenergie wird berücksichtigt, ebenso wie die verschiedenen möglichen Kernprozesse, sobald die dafür notwendigen Bedingungen vorliegen.

Wenn die Berechnungen durchgeführt sind, stellt sich heraus, dass die Helmholtz-Energie während des anfänglichen Kollapses dominiert, bis die Temperatur und Dichte im Zentrum hoch genug für die Fusionszündung werden. Nach einer sehr kurzen Phase der Deuteriumfusion setzt die Hauptfusionsreaktion ein (im Fall der Sonne Proton-Proton-Fusion), und der Stern beruhigt sich in einem nahezu Gleichgewichtszustand, in dem er den Großteil seiner Lebensdauer verbringt. Während dieser stabilen Phase nimmt die Leuchtkraft des Sterns langsam zu, im Fall der Sonne in der Größenordnung von fünf Prozent pro Milliarde Jahren, eine Tatsache, auf die wir unter der Überschrift "Der schwache junge Sonne" zurückkommen werden. Sterne unterschiedlicher Anfangsmasse erreichen bei unterschiedlichen Temperaturen und Leuchtkräften das Gleichgewicht, entlang dessen Astronomen die "Hauptreihe" nennen. Diese Gleichgewichtssequenz reproduziert und erklärt sauber das Muster, das von Hertzsprung und Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914) gefunden wurde. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund keine Fusion stattfinden würde, würde kein Gleichgewicht erreicht werden, und kein Muster sollte beobachtet werden.

Dieser Prozess kann verwendet werden, um das Alter eines Sterns zu berechnen. Im Fall der Sonne stimmt das Ergebnis gut mit den Erwartungen aus der radiometrischen Datierung des übrigen Sonnensystems überein (etwa 4,55 Milliarden Jahre (Strahler 1987)), was zu einem vorhergesagten Alter der Sonne von 4,563 – 4,576 Milliarden Jahren führt (Wasserburg 1995)). Guenther & Demarque (1997) finden 4,5± 0,1 Milliarden Jahre für das Alter der Sonne, wohingegen Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) ein Alter nahe bei 4,6 Milliarden Jahren bevorzugen, ebenso wie Dziembowski et al (1998). Alle drei Ergebnisse sind gut mit den Vorhersagen aus den Standardtheorien der Sonnensystementstehung vereinbar. Für andere Sterne sind die Ergebnisse weniger präzise, was angesichts unseres begrenzten Wissens über sie natürlich ist; einige Beispiele, zusammen mit einer Beschreibung des Datierungsprozesses, finden sich in Ford & Rasio (1998).

Die Berechnungen des Standard-Sonnenmodells werden in verschiedenen Arbeiten von John Bahcall und Mitarbeitern ausführlich beschrieben (Bahcall 1989; Bahcall & Pinsonneault 1995; Bahcall & Basu & Pinsonneault 1998). Bahcall & Pinsonneault (1995) ist das Standard-Reviewpapier, auf das sich die meisten anderen Autoren beziehen. Für eine weitere gute Übersicht mit detaillierter Darstellung der Annahmen und Komplikationen sowie einer kritischen Perspektive auf Bahcall et al. siehe Dar & Shaviv (1996; auch Dar 1998). Zwei entscheidende Fragen der Sonnenphysik sind die Reaktionsraten der Kernprozesse unter Sonnenbedingungen (Adelberger et al 1998; Junker 1998) und die Opazität des Sonnenmaterials (Iglesias & Rogers 1996).

Helioseismologie

Die Berechnungen des Sonnenmodells liefern nur indirektes Wissen über das Sonneninnere und lassen Raum für Zweifel und Fragen. Die Tatsache, dass die Modelle doch auf ein konsistentes Bild der Sonne konvergieren und in der Lage sind, die aktuellen Oberflächenbedingungen unter Verwendung bekannter Physik und vernünftiger Anfangsbedingungen nachzubilden, ist natürlich ein starkes Zeichen dafür, dass die Modelle nicht gänzlich danebenliegen. Dennoch wäre eine unabhängige Überprüfung wünschenswert. Die Helioseismologie bietet genau eine solche unabhängige Doppelüberprüfung des Modells.

Die Seismologie auf der Erde ist die Wissenschaft von Erdbeben, also geht es bei der Helioseismologie um Sonnenbeben. Und Sonnenbeben können genutzt werden, um das Sonneninnere zu untersuchen, genau so, wie Erdseismologen das Erdinnere mithilfe von Erdbeben kartiert haben. Die Art und Weise, wie Schockwellen durch Materie propagieren, hängt zunächst davon ab, ob es sich um einen Feststoff oder eine Flüssigkeit handelt. Schockwellen von Erdbeben können entweder Druckwellen (P-Wellen) oder Scherwellen (S-Wellen) sein. P-Wellen propagieren durch alles (außer Vakuum), aber S-Wellen können nur in einem Feststoff reisen. Die Tatsache, dass S-Wellen einige Teile des Erdkerns nicht durchdringen, hat zu dem Schluss geführt, dass diese Teile flüssig sind. Ebenso zeigt die Tatsache, dass wir im Sonneninneren keine S-Wellen beobachten, dass die Sonne nicht fest, sondern durchweg flüssig ist. P-Wellen werden in großer Zahl bei vielen verschiedenen Frequenzen beobachtet.

Die Sonne zittert und pulsiert ständig bei verschiedenen Frequenzen, wodurch Oberflächenvibrationen entstehen, die von der Erde aus beobachtet werden können. Aus dem Muster der Oberflächenvibrationen lässt sich die Geschwindigkeit von P-Wellen in verschiedenen Tiefen durch ein mathematisch etwas aufwendiges Verfahren ableiten, auf das ich hier nicht näher eingehen werde. Gough et al. (1996a) geben eine Einführung, ebenso wie Bahcall (1989). Für weitere Details siehe z. B. Christensen-Dalsgaard (1997) oder Guenther & Demarque (1997) sowie die dortigen Referenzen, sowie eine ganze Reihe von Artikeln in Science vom 31. Mai 1996: (Hathaway et al, 1996; Thompson et al, 1996; Gough et al, 1996b; Hill et al, 1996; Christensen-Dalsgaard et al, 1996; Harvey et al, 1996; Hellemans, 1996). Nicht-technische Einführungen auf allen Ebenen (vom Kindergarten bis zur Universität) finden Sie unter http://solar-center.stanford.edu/heliopage.html .

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von P-Wellen entspricht der Schallgeschwindigkeit im Material, die bei einem Gas von der Temperatur und dem mittleren Molekulargewicht abhängt. Die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen der Sonne kann daher aus den Berechnungen des Standard-Sonnenmodells vorhergesagt und mit helioseismologischen Messungen verglichen werden. Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) stellen Vergleiche zwischen dem Sonnenmodell und helioseismologischen Messungen sowohl für die Schallgeschwindigkeit als auch für die tatsächlichen Schwingungsfrequenzen an, die Helioseismologen messen. Die Frequenzen stimmen besser als ein MikroHertz überein, und die Schallgeschwindigkeiten stimmen besser als ein Prozent über die gesamte Sonne hinweg (weit besser als ein Prozent zum größten Teil, mit einer Abweichung von einem vollen Prozent nur genau an der Grenze zwischen Konvektions- und Strahlungszone). Ähnliche Vergleiche finden sich in zahlreichen weiteren aktuellen Arbeiten, wie z. B. bei Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998) oder Christensen-Dalsgaard (1997). Die Übereinstimmung zwischen Modell und Daten war von Anfang an gut (Christensen-Dalsgaard et al. 1996), doch haben verschiedene Verfeinerungen des Sonnenmodells (nicht durch Anpassung an die Daten, sondern durch Berücksichtigung von Prozessen, die zuvor vernachlässigt wurden, insbesondere der Diffusion) die Übereinstimmung weiter verbessert (Bahcall 1998).

Zusammenfassend bestätigen helioseismologische Messungen stark die Vorhersagen des Standard-Sonnenmodells und schränken unorthodoxe Theorien über die Sonne stark ein.

Solarneutrino-Probleme

Neutrinos sind schwer fassbare Teilchen, die bei einer Vielzahl von Kernreaktionen und Zerfällen emittiert werden. Sie sind für die Sonne relevant, da sie ein unvermeidliches Nebenprodukt der Kernfusion sind und da sie die einzige bekannte Teilchentyp sind, der aus dem Kern der Sonne entweichen kann, ohne zu interagieren, wodurch direkte Informationen über das Sonneninnere übermittelt werden. Diese Möglichkeit wurde frühzeitig erkannt, aber experimentelle Schwierigkeiten verzögerten die Suche nach solaren Neutrinos bis in die 1960er Jahre, als John Bahcall (1964) eine spezifische Vorhersage für den Neutrinofluss berechnete und Raymond Davis (1964) vorschlug, diese Vorhersage zu testen. Leider widersprachen die Ergebnisse von Davis et al. (1968) später der Vorhersage. Das war der Ursprung dessen, was als das solare Neutrino-Problem bekannt wurde.

Was sind Neutrinos?

Interessanterweise wurde das Neutrino zunächst als ad hoc-Hypothese erfunden, um die Gesetze der Energie- und Impulserhaltung vor einer Falsifizierung zu retten. Um 1930, in den ersten detaillierten Studien radioaktiver Beta-Zerfälle, stellte sich heraus, dass bei jedem Zerfall bestimmte Energie und Impuls fehlten. Beim Beta-Zerfall findet die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton statt, begleitet von der Emission eines Elektrons und nichts anderem Sichtbarem. Die vom Elektron mitgeführte Energie sollte der vom Atom im Prozess freigesetzten Energie entsprechen – doch das war nicht der Fall! Wolfgang Pauli schlug vor, diese Diskrepanz dadurch zu erklären, dass zusätzlich zum Elektron eine weitere, unsichtbare Teilchenart emittiert wurde, die die fehlende Energie und den Impuls mit sich führte. Diese "Geisterteilchen" wurde Neutrino genannt. (Für einige von Paulis ursprünglichen Überlegungen zum Neutrino, siehe Mössbauer (1998).

Nun, ad hoc-Hypothesen, die rein erfunden wurden, um unsere Lieblings-Theorien zu retten, werden in der Wissenschaft allgemein abgelehnt, und zwar mit gutem Grund. Doch die Neutrino-Hypothese wurde letztlich bestätigt, als das Geister-Teilchen schließlich nachgewiesen wurde, eine reale Existenz zu haben, mehr als zwanzig Jahre später. Heute ist das Neutrino in unserer Standard-Theorie der Elementarteilchen gut etabliert als Partner des Elektrons. Es hat die gleichen grundlegenden Eigenschaften wie das Elektron und nimmt an den gleichen Wechselwirkungen teil, außer dass es keine elektrische Ladung besitzt und eine nahezu null Masse hat.

Darüber hinaus gibt es drei Familien von Elementarteilchen, wobei jede Familie aus zwei Quarks und zwei Leptonen besteht. Quarks sind Bestandteile von Protonen und Neutronen und müssen in diesem Zusammenhang nicht weiter unsere Aufmerksamkeit beanspruchen. Lepton ist der Sammelbegriff für Elektronen und Neutrinos sowie deren Verwandte in den anderen Familien. Das Elektron und das (Elektron-)Neutrino bilden das Leptonenpaar der ersten Familie. In den beiden anderen Familien werden die Elektron-Äquivalente Muon und Tau genannt, jeweils mit ihrem Neutrino-Partner, dem Muon-Neutrino und dem Tau-Neutrino. Somit haben wir drei verschiedene geladene Leptonen: Elektron, Muon und Tau; sowie drei Neutrinos, wobei jedes mit einem der drei geladenen Leptonen assoziiert ist (obwohl erst in jüngster Zeit das Tau-Neutrino tatsächlich beobachtet wurde (Antia 1998)). Die entsprechenden Teilchen in den verschiedenen Familien sind identisch, außer dass sie unterschiedliche Massen aufweisen.

Von der Sonne erwartete Neutrinos

Es scheint jenseits vernünftigen Zweifels etabliert, durch den Erfolg des Standard-Sonnenmodells, dass die Sonne durch Kernfusion in ihrem Kern leuchtet. Eine Fusionsreaktion beinhaltet das Verschmelzen von zwei Atomkernen zu einem. In der Sonne führt eine Kette aus mehreren verschiedenen Fusionsreaktionen entlang eines von etwa vier verschiedenen Pfaden von vier Wasserstoffkernen (einzelne Protonen) zu einem Heliumkern (zwei Protonen und zwei Neutronen). In diesem Prozess müssen zwei Protonen durch Beta-Zerfälle in Neutronen umgewandelt werden. Bei jedem Beta-Zerfall wird ein Neutrino emittiert (ein Elektron-Neutrino, das heißt). Es ist daher einfach zu berechnen, dass, wenn die Sonne durch Wasserstofffusion leuchtet, sie pro Fusionskette zwei Neutrinos emittieren sollte. Und in unserer Standardtheorie der Teilchenphysik werden die Neutrinos direkt aus der Sonne herausströmen, ohne mit dem dazwischenliegenden Material zu interagieren. Der gesamte Fluss von Neutrinos aus der Sonne sollte etwa 200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 pro Sekunde betragen, was einem Fluss von etwa 6,5 × 10¹⁰ Neutrinos pro Quadratzentimeter pro Sekunde entspricht, der die Erde trifft.

Die meisten dieser Neutrinos stammen aus der Hauptenergieerzeugenden Reaktionskette in der Sonne: der Proton-Proton-Fusion. Leider haben die Neutrinos aus der Proton-Proton- (pp) Fusion eine sehr niedrige Energie. Energie wird in diesem Kontext in Elektronenvolt (1 eV = 1,6 × 10^-19 Joule) oder Millionen von Elektronenvolt (MeV) gemessen, und die Energie der pp-Neutrinos liegt unter 0,42 MeV, was ihre Detektion erschwert.

Es werden kleinere (aber dennoch enorm große) Mengen höherenergetischer Neutrinos aus verschiedenen Nebenreaktionen erwartet, insbesondere aus Bor- und Beryllium-Zerfällen. Es gibt zudem eine alternative Energieerzeugungskette, die CNO-Fusion, bei der die Fusion von Wasserstoff zu Helium durch Kohlenstoff katalysiert wird. Diese CNO-Kette wird als Hauptenergiequelle in größeren, heißeren Sternen erwartet, sollte aber in der Sonne nur einen bescheidenen Beitrag leisten. CNO-Neutrinos sind andererseits leichter nachweisbar als pp-Neutrinos, da sie jeweils drei- bis viermal mehr Energie besitzen.

Die Details des Fusionsreaktionsnetzes der Sonne finden sich in vielen Werken sowohl zur Astrophysik als auch zur Neutrino-Physik, wie z. B. Karttunen et al. (1994) oder Bahcall (1989). Weniger fortgeschrittene Astronomielehrbücher, wie z. B. Pasachoff (1995) oder Zeilik (1994), lassen jedoch oft die Nebenreaktionen aus, die für die Studien zu Sonnenneutrinos hochrelevant sind. Ein schönes Diagramm des Sonnenneutrino-Flusses aus dem Standard-Sonnenmodell als Funktion der Neutrinoenergie findet sich auf der Homepage von John Bahcall, http://www.sns.ias.edu/~jnb/, zusammen mit einer Fülle von Informationen, Daten und Software, die sich auf Sonnenneutrinos beziehen. Wenn Sie sich ernsthaft für Sonnenneutrinos interessieren, ist seine Seite ein Goldgrube!

Solar-Neutrino-Experimente

Das Problem bei Solar-Neutrino-Experimenten besteht darin, dass Neutrinos notoriously schwierig zu detektieren und zu messen sind. (Immerhin wurden sie erfunden, um unbemerkt davonzuschleichen...) Der einzige Weg, sie zu detektieren, ist über ihre gelegentlichen Wechselwirkungen mit Materie, während sie hindurchgehen. Aber die Wahrscheinlichkeit für eine solche Wechselwirkung ist extrem gering; die überwältigende Mehrheit der Neutrinos wird die Erde ohne jegliche Wechselwirkung einfach durchdringen. Die wenigen, die doch wechselwirken, können dies auf ein paar verschiedene Arten tun:

Abprallen von einem Elektron und dann wie zuvor weitergehen. Alle Neutrino-Arten können dies tun. Das Elektron wird aus seiner atomaren Bahn geschlagen und kann detektiert werden. Dies ist experimentell für Neutrinos mit moderater bis hoher kinetischer Energie machbar. "Moderate" Neutrinoenergie bedeutet hier mehrere Millionen Elektronenvolt (MeV).
Abprallen von einem Kern und dann wie zuvor weitergehen. Dies ist nur detektierbar, wenn genug Energie übertragen wird, um den Kern zu stören, in den meisten Fällen Hunderte von MeV – und Sonnenneutrinos haben nicht genug "Schlagkraft", also vergessen wir es.
Interagieren mit einem Elektron oder einem Kern und in das entsprechende geladene Lepton (Elektron, Myon oder Tau) umgewandelt werden. Das geladene Lepton kann gut genug detektiert werden – aber das Neutrino muss genug Energie mitbringen, um E=mc² für die Schaffung seines geladenen Ersatzes zu liefern. Sonnenneutrinos haben genug Energie, um Elektronen zu erzeugen, aber nicht genug für die anderen beiden.
Einen umgekehrten Beta-Zerfall an einem Kern durchführen. Neutrinos werden normalerweise bei Beta-Zerfällen emittiert. Aber einige Kerne können den Prozess im Wesentlichen umkehren, indem sie ein Neutrino einfangen. Technisch gehört dies zum vorherigen Punkt, aber es ist wichtig genug, um einen eigenen Punkt zu verdienen, da in diesem Fall nicht notwendig ist, das Neutrino bei der Tat zu fangen – die "umgekehrt zerfallenen" Kerne werden sich herumtreiben und können bequem gezählt werden, durch chemische Trennung (es wird ein anderes Element als das ursprüngliche sein) oder durch ihre Radioaktivität. Dies erfordert eine Mindestenergie, die für verschiedene Kerne unterschiedlich ist; für einige, insbesondere Chlor und Gallium, liegt die Energie im Erreichbaren von Sonnenneutrinos. Nur Elektron-Neutrinos können dies tun (da nur Elektron-Neutrinos bei Beta-Zerfällen emittiert werden).
Ein verwandter Prozess ist die "umgekehrte Fusion", die stattfinden kann, wenn ein Neutrino auf einen Deuterium-Kern trifft und ihn in zwei Protonen aufspaltet.

The tiny probability of neutrino interactions means that for neutrino experiments Größe is the most important consideration. The more atoms you have in your apparatus, the more neutrino interactions you'll get. Neutrino astronomers have invented a special unit, the SNU (solar neutrino unit), equal to one interaction per second per 10³⁶ atoms (or equivalently, about one interaction per ton per year), that is convenient for solar neutrino studies. Expected interaction rates in realistic neutrino experiments amount to a few SNUs, up to 130 SNUs at best.

Das erste Sonnenneutrino-Experiment (Davis 1964) basierte auf dem „umgekehrten Beta-Zerfall" von Chlor-Atomen. Es bestand aus einem großen Tank, der tief in einem Bergwerk in South Dakota, USA, platziert wurde. Der Tank war mit etwa 600 Tonnen Reinigungsmittel, Perchloräthylen, gefüllt, das mehr als 10³⁰ Chlor-Atome enthielt. Alle paar Tage wurde eines dieser Atome umgekehrt-beta-zersetzt in Argon. Nach dem Standard-Sonnenmodell sollte ein Atom jeden Tag umgewandelt werden, doch die tatsächlich gemessene Rate betrug nicht mehr als die Hälfte davon. Im Jahr 2002 erhielt Davis den Nobelpreis für seine bahnbrechende Arbeit an Sonnenneutrinos.

Chlor ist experimentell günstig – es ist relativ billig (wichtig, wenn man Hunderte von Tonnen benötigt!), und das resultierende Argon ist chemisch günstig, sodass es machbar ist, die Nadel im Heuhaufen zu finden und die Atome einzeln zu zählen. Leider hat Chlor eine zu hohe Energieschwelle für die Neutrinos aus der primären Proton-Proton-Reaktion der Sonne. Es detektiert nur die höherenergetischen Neutrinos aus den Zerfällen von Beryllium und Bor sowie aus der CNO-Kette. Nun werden Beryllium und Bor in Nebenreaktionen in der Sonne produziert, die sehr empfindlich auf die exakte Temperatur im Sonnenkern reagieren; es ist möglich, das Standard-Sonnenmodell so anzupassen, dass die Produktionsrate dieser Elemente signifikant reduziert wird (Bahcall 1989; Dar & Shaviv 1996), ohne dass unser Verständnis davon, wie die Sonne funktioniert und wie Neutrinos funktionieren, wesentlich gestört wird. Dennoch war die Diskrepanz beunruhigend.

Gallium ist aus physikalischer Sicht besser, da es auch auf die primären Sonnenneutrinos aus der Proton-Proton-Fusion empfindlich reagiert. Die Rate, mit der diese produziert werden, wird durch die Leuchtkraft der Sonne festgelegt und kann durch keine geringfügige Anpassung des Modells verändert werden. Bei Gallium sagt das Standardmodell etwa 70 SNUs aus der pp-Fusion voraus, sowie weitere 60 oder so aus den anderen Quellen (meistens Beryllium) (Bahcall 1997b). Gallium ist jedoch ein seltenes und teures Element; die für ein Neutrinoexperiment benötigte Menge stellt einen großen Bruchteil der weltweiten jährlichen Produktion dar. Daher wurden Gallium-Experimente erst um 1990 gebaut, als zwei von ihnen, GALLEX und SAGE, mit der Datenerhebung begannen. Beide Experimente laufen seit einigen Jahren und haben im Wesentlichen das gleiche Ergebnis geliefert: einen Fluss von etwa 70 SNUs detektiert (Altmann 1998; Hampel et al 1999). Innerhalb der Fehlergrenzen entspricht dies der Anzahl, die allein von der Proton-Proton-Fusion erwartet wird, wodurch für Neutrinos aus Beryllium und anderen Quellen kein Platz mehr bleibt. Darüber hinaus wurden beide Experimente mit einem bekannten Fluss von Neutrinos aus einer terrestrischen Neutrinoquelle kalibriert, was die experimentelle Fehler als Erklärung für die Sonnenneutrino-Anomalie weitgehend ausschließt.

In parallele zu den Gallium-Experimenten lief ein völlig anderes Neutrino-Experiment: Kamiokande (kürzlich erweitert und aufgerüstet und in Super-Kamiokande umbenannt). Ursprünglich gebaut, um Protonenzerfälle zu suchen (Kamiokande = Kamioka Nucleon Decay Experiment), erwies es sich als hervorragend für die Neutrino-Astronomie geeignet. Sonnenneutrinos werden detektiert, wenn sie von Elektronen abprallen – oder genauer gesagt, wenn der Lichtschauer des Elektrons detektiert wird. Dies hat den Nachteil, dass niederenergetische Neutrinos nicht detektiert werden können, sodass Kamiokande nur für Neutrinos aus Bor-Zerfällen empfindlich ist (und einigen weiteren, noch geringfügigeren Nebenketten; siehe z. B. Bahcall & Krastev 1998). Aber es gibt auch erhebliche Vorteile:

Die Richtung, aus der das Neutrino kommt, kann aus dem Pfad des Elektrons bestimmt werden, was solide Beweise dafür liefert, dass die Neutrinos tatsächlich von der Sonne stammen, erstmals von Hirata et al. (1990) vorgestellt und anschließend mit weiteren Daten bestätigt (Fukuda et al 1996; Fukuda et al 1998c; Fukuda 1998).
Der Zeitpunkt des Eintreffens der Neutrinos kann genau bestimmt werden, was eine Suche nach Tag/Nacht- oder jahreszeitlichen Variationen ermöglicht (Fukuda 1998).
Die Energie des Elektrons liefert eine grobe Schätzung der Neutrinoenergie (im Gegensatz zu den umgekehrten Beta-Zerfall-Experimenten, bei denen wir nur wissen, dass die Neutrinos eine bestimmte Energiegrenze überschritten haben), was es ermöglicht, Neutrinos aus verschiedenen Reaktionsketten in der Sonne zu unterscheiden und nach anderen energieabhängigen Effekten zu suchen (Fukuda et al 1996; Fukuda 1998).

The flux of neutrinos observed in Super-Kamiokande is less than 40% of that predicted from standard solar models (Fukuda et al 1998c). No significant variations with either day/night or season have been observed. The energy spectrum of the neutrinos is not significantly different from expectations, though there is a hint of a surplus (or smaller deficit, rather) at the highest energies (Fukuda et al. 1998e; Normile 1998a). Concerning energy dependence, there are also indications that the neutrino deficit seen by Super-K as a whole is less severe than that seen in the chlorine experiment at slightly lower energies. The leader of Kamiokande, Masatoshi Koshiba, shared the Nobelpreis 2002 with Raymond Davis, the anderer Pionier der Sonnenneutrino-Forschung mentioned above.

Diese vier Solarneutrino-Experimente (eines mit Chlor, zwei mit Gallium und Super-K) waren bis vor kurzem die einzigen. Alle zeigen einen signifikanten Neutrino-Mangel, der etwa ein Drittel bis die Hälfte des erwarteten Flusses beträgt. Ihre Messungen implizierten daher, dass entweder das Standard-Sonnenmodell falsch war oder das Standardmodell der Teilchenphysik (und damit das Neutrino-Verhalten) falsch war. Die Daten waren solide genug, um die Standardmodelle auszuschließen, selbst wenn man annimmt, dass eines der Experimente wertlos ist; drei von ihnen waren ausreichend (Hata & Langacker 1997), (oder zwei, wenn nicht beide Gallium-Experimente gemeint sind).

Zwei wichtige neue Experimente zur Messung von Solarneutrinos haben in den letzten beiden Jahren Ergebnisse veröffentlicht. Das GNO (Altmann et al., 2000) ist ein neues, größeres Gallium-Experiment, das dazu dienen soll, die bestehenden Daten zu untermauern. Das Experiment namens SNO hingegen ist neuartig und von großer Bedeutung. Es nutzt unter anderem die „Reverse-Fusion"-Reaktion wie oben erwähnt. Dadurch kann es zwischen verschiedenen Neutrino-Arten und zwischen verschiedenen Typen von Neutrino-Wechselwirkungen unterscheiden, etwas, das Super-K nur mit Schwierigkeiten und die Reverse-Beta-Experimente gar nicht leisten können. Der Wert dieser Unterscheidung wird beispielsweise in Fogli & Lisi & Montanino (1998) oder Villante & Fiorentini & Lisi (1999) diskutiert. SNO hat die Datenerhebung 1999 begonnen (Sincell 1999) und hat nun seine ersten Ergebnisse veröffentlicht (Ahmad et al 2001a, 2001b, 2002a, 2002b). Einerseits bleibt die Anzahl der Elektronen-Neutrinos zu niedrig, wie bei den anderen Experimenten auch. Was jedoch neu ist, zeigt das SNO-Ergebnis eindeutig, dass die gesamte Anzahl der Neutrinos, wenn man alle Arten zusammenzählt, die Vorhersagen des Standard-Sonnenmodells genau erfüllen. Mit anderen Worten scheinen Neutrinos auf dem Weg von einer Art in eine andere umgewandelt zu werden und als Mischung aus verschiedenen Arten anzukommen. Diese Art der Mischung von Neutrino-Arten wird im Abschnitt Neutrinooszillationen weiter unten erläutert.

Solar-Neutrino-Lösungen

Das solare Neutrino-Problem bestand drei Jahrzehnte lang, während der zahlreiche mögliche Lösungen vorgeschlagen wurden. Das Problem wurde niemals als unlösbares Rätsel betrachtet – es handelte sich vielmehr um die Entscheidung zwischen verschiedenen Möglichkeiten. Doch mit den neuen Daten, die in den vergangenen Jahren aus den neuen solaren Neutrino-Experimenten und der Helioseismologie verfügbar wurden, können die meisten vorgeschlagenen Lösungen ausgeschlossen werden, und nur noch wenige Möglichkeiten bleiben übrig, die alle eine modifizierte Neutrino-Physik beinhalten. Die Evidenz für nicht-standardmäßiges Neutrino-Verhalten war bereits vor einigen Jahren stark und ist nun schlüssig.

Solar-Lösung oder Neutrino-Lösung?

Mögliche Lösungen für das solare Neutrinoproblem lassen sich in zwei große Klassen einteilen: solare Lösungen, die auf Modifikationen des Standardmodells der Sonne basieren, und Neutrino-Lösungen, die auf Modifikationen des Standardmodells der Teilchenphysik beruhen. Experimenteller Fehler ist natürlich immer eine Möglichkeit, doch da mehrere verschiedene Experimente, die sorgfältig kalibriert sind und auf zwei völlig unterschiedlichen Prinzipien basieren, alle ähnliche Ergebnisse liefern, ist diese Möglichkeit unwahrscheinlich geworden.

Die Möglichkeit von Fehlern im Standard-Sonnenmodell wurde ausführlich untersucht (siehe z. B. Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998)), mit dem Schluss, dass unter Berücksichtigung der hervorragenden Übereinstimmung mit allen anderen Daten, einschließlich der Helioseismologie, solche Fehler höchst unwahrscheinlich sind. Darüber hinaus haben viele verschiedene Personen ihre eigene Version des Modells implementiert, mit eigenem Computercode und geringfügigen Unterschieden in den Details der Physik, ohne signifikante Unterschiede im Ergebnis (siehe Zusammenstellung in fig 1 von Bahcall (1998)). Ebenso scheint es sehr schwierig zu sein, ein alternatives Modell zu konstruieren, das die Neutrino-Messungen und gleichzeitig die Helioseismologie sowie andere Daten berücksichtigt. Die Modelle von Dar & Shaviv (1996) und Cumming & Haxton (1996) kommen dem am nächsten, doch bleibt eine beträchtliche Neutrino-Diskrepanz bestehen.

Ein noch stärkeres Argument gegen eine solare Lösung ist die Analyse von Hata & Langacker (1997). Sie zeigen, dass selbst wenn man das solare Modell vollständig ignoriert und die relativen Flüsse von Neutrinos aus verschiedenen Quellen frei variieren lässt, die Neutrino-Abweichungen nicht beseitigt werden. Es hilft auch nicht, anzunehmen, dass die Sonne nicht vollständig durch Kernfusion angetrieben wird! Hata & Langacker schließen daraus, dass "... [solare] Lösungen im Allgemeinen Schwierigkeiten haben, es sei denn, alle Experimente sind falsch, ..." (1997, S. 9). Andere Autoren haben ähnliche Berechnungen mit ähnlichen Schlussfolgerungen durchgeführt, z. B. Fiorentini & Ricci (1998), Ricci & Villante & Lissia (1999) oder Bahcall & Krastev & Smirnov (1998) und die dortigen Referenzen (siehe aber auch Dar & Shaviv (1999), die anderer Meinung sind).

Da eine solare Lösung effektiv ausgeschlossen wurde, was die meisten Fachleute zufriedenstellt, bleibt uns die Suche nach einer Neutrino-Lösung. Hinsichtlich Lösungen im Bereich der Neutrinophysik gibt es drei Möglichkeiten:

Nichtstandard-Neutrino-Emissionsspektren oder andere Anomalien beim Beta-Zerfall.
Etwas passiert den Neutrinos auf ihrem Weg vom Kern der Sonne bis hierher.
Nichtstandard-Neutrino-Wechselwirkungen in unseren Detektoren.

The first and third possibilities concern processes that are accessible and measurable in the laboratory. Neutrino emission from beta decays has been measured often enough, and is well understood theoretically as well (Burcham 1979; Klapdor-Kleingrothaus & Staudt 1995). The effect of the solar environment on beta decays is calculable, and has been found to be of modest importance (Bahcall 1997b, and references therein). Interactions of neutrinos at similar energies have been extensively studied as well, notably in experiments at nuclear power plants (which emit copious numbers of neutrinos, for reasons similar to the sun). Also, if something had been seriously amiss in our understanding of neutrino interactions, the calibration of the gallium experiments with a supposedly known neutrino source would have given odd results.

Die Reise von Neutrinos über astronomische Distanzen ist offensichtlich für Laborstudien unzugänglich und wurde lange als vielversprechendster Bereich zur Suche nach Anomalien betrachtet, die das Fehlen von Sonnenneutrinos erklären könnten. Die Schlussfolgerung, dass die Lösung des Sonnenneutrino-Problems höchstwahrscheinlich im Verschwinden der Neutrinos en route besteht, erhielt weitere Unterstützung durch die jüngsten Berichte über Anomalien bei der Neutrino-Reise über terrestrische Distanzen (Fukuda et al 1998a; Athanassopoulos et al 1997; Oyama 2001; weiter unten diskutiert), und die Angelegenheit wurde schließlich durch SNO (Ahmad et al 2002a) geklärt.

Neutrino-Oszillationen

Dass Neutrinos einfach in der Luft verschwinden würden, wäre höchst problematisch und würde unter anderem den Energie- und Impulserhaltungssatz verletzen (die Erhaltung dieser Größen war der Hauptgrund für die Erfindung des Neutrinos). Die Umwandlung der Neutrinos in etwas anderes ist eine viel plausiblere Lösung. Zum Glück gibt es für solche Umwandlungen unter anderen Elementarteilchen reichlich Präzedenzfälle, und Spekulationen über die Möglichkeit ähnlichen Verhaltens bei Neutrinos gehen lange vor das solare Neutrino-Problem zurück (Pontecorvo 1957). Dieser Umwandlungsprozess wird als Neutrinooszillationen bezeichnet.

[Nun, die Erklärung, wie Neutrinooszillationen funktionieren, ist etwas knifflig, da sie von subtilen Quanteneffekten abhängt, und ich kann hier nicht davon ausgehen, dass alle Leser mit der Quantentheorie vertraut sind. Die folgende Erklärung ist notwendigerweise stark vereinfacht; falls Puristen Einwände haben, sind sie willkommen, eine bessere vorzuschlagen.]

Ein unverzichtbares, aber kontraintuitives Konzept der Quantenmechanik ist das der Superposition. Nehmen wir an, ein bestimmtes Teilchen besitzt eine Eigenschaft, die mehrere verschiedene Werte annehmen kann; das klassische Beispiel ist die Katze von Schrödingers (z. B. http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html), aber ich nehme ein anderes: gewöhnliche Spielkarten besitzen die Eigenschaft 'Wappen' mit den vier möglichen Werten 'Pik', 'Herz', 'Karo' und 'Kreuz'. Im gewöhnlichen, nicht-quantenmechanischen Leben hat jede einzelne Karte ein wohldefiniertes Wappen. Nicht so in der Quantenmechanik! Eine Quantenkarte kann sich in einem gemischten Zustand befinden, einer sogenannten 'Superposition' von beispielsweise 30% Pik, 60% Herz und 10% Kreuz. Wenn Sie prüfen, zu welchem Wappen diese Karte gehört, haben Sie eine 30%ige Chance, dass es ein Pik ist, eine 60%ige Chance, dass es ein Herz ist, und so weiter. Beachten Sie, dass dies nicht nur eine Frage Ihrer Unwissenheit über das "wahre" Wappen der Karte ist – sie hat nicht bis zur Prüfung ein einziges wohldefiniertes Wappen (es gibt hier einige philosophische lose Enden, die wir jedoch vorerst ignorieren).

In der Teilchenphysik entsprechen die Farben den drei Familien, die oben im Abschnitt 'Was sind Neutrinos?' besprochen wurden. Ein Neutrino kann zu einer der drei Familien gehören, wodurch es ein Elektron-Neutrino, ein Myon-Neutrino oder ein Tau-Neutrino ist. Oder es kann eine Superposition der drei Familien-Flavors sein, in bestimmten Verhältnissen gemischt. Nun nimmt das Standardmodell an, dass die vom Sonneninneren emittierten Neutrinos in einem reinen Elektron-Neutrino-Zustand sind, ohne Mischung. Wenn diese Annahme jedoch falsch ist, können interessante Dinge en route geschehen.

Ein ähnlicher Fall, der an Teilchenbeschleunigern intensiv untersucht wurde, ist der des neutralen K-Mesons (ein Meson ist eine Kombination aus zwei Quarks (oder genauer gesagt, einem Quark und einem Anti-Quark); im Fall des K-Mesons handelt es sich um ein 'down' (d) Quark aus der ersten Familie und ein 'strange' (s) Quark aus der zweiten Familie). Das neutrale K-Meson (K0) führt uns zum nächsten interessanten Konzept, das wir benötigen, dem des Eigenzustands. Um es einfach auszudrücken, ist ein Eigenzustand ein Zustand, der in einem bestimmten Kontext als rein, nicht vermischter Zustand ohne Überlagerung anerkannt wird. Zum Beispiel sind im Kontext von Poker die normalen vier Farben Eigenzustände der Karten in diesem Spiel; ein unvermischter Pik wird als Pik und nichts anderes anerkannt. Aber in einem anderen Spiel können die Eigenzustände anders sein! Wenn Sie Whist spielen, können die Farben, die in diesem Spiel als reine Farben anerkannt werden, (in einer Quantenwelt) verschiedene sein von denen, die als reine Farben im Poker anerkannt werden. Ein Whist-Pik könnte eine Mischung aus 80% Poker-Pik und 20% Poker-Kreuz sein, und dies gilt entsprechend für die anderen Farben. Ein reines Poker-Pik würde im Whist als Mischung betrachtet werden, mit nur einer 80%igen Wahrscheinlichkeit, als Whist-Pik anerkannt zu werden. Bei Kartenspielen klingt dies absurd – aber in der Teilchenphysik ist dies genau das, was passiert. Verschiedene 'Spiele' – verschiedene Wechselwirkungen – erkennen und interagieren jeweils mit einem unterschiedlichen Satz von Eigenzuständen für die Teilchen.

Die relevanten „Spiele", die in der subatomaren Welt gespielt werden, sind:

'Starke' Wechselwirkungen, nur zwischen Quarks; die Hauptkraft innerhalb von Atomkernen.
Elektromagnetische Wechselwirkungen, zwischen allen geladenen Teilchen.
'Schwache' Wechselwirkungen, an denen alle Teilchen beteiligt sein können; die Kraft hinter Beta-Zerfällen.
Masse. Wie sich Teilchen zwischen Wechselwirkungen bewegen (sowie viele andere Dinge) wird durch ihre Masseneigenzustände bestimmt.

Für die meisten Teilchen und die meisten Wechselwirkungen stellt dies kein Problem dar; die verschiedenen Eigenzustände sind, soweit wir es beurteilen können, identisch. Schwache Wechselwirkungen entsprechen jedoch nicht immer diesem Muster. Die schwachen Eigenzustände von Quarks unterscheiden sich von ihren starken/elektromagnetischen Eigenzuständen. Dies ist experimentell gut belegt; siehe z. B. Halzen & Martin (1984) oder Parodi & Roudeau & Stocchi (1999). Die K0-Mesonen entstehen in starken Wechselwirkungen von Quarks, zerfallen jedoch durch schwache Wechselwirkungen ihrer konstituierenden Quarks. Es sind weitere Feinheiten involviert, aber um die lange Geschichte kurz zu fassen, ist das Endergebnis, dass die Produktions-Eigenzustände von den Reiset-/Zerfalls-Eigenzuständen der K0-Mesonen abweichen. Die Reiset-/Zerfalls-Eigenzustände werden als K0_long und K0_short bezeichnet, aufgrund ihrer längeren bzw. kürzeren Lebensdauern. Ein K0 wird also als reiner starker-Wechselwirkungs-Eigenzustand erzeugt, dies ist jedoch nicht ein Reiset-/Zerfalls-Eigenzustand. Sobald es sich vom Erzeugungsplatz entfernt, reist es als Mischung aus K0_long und K0_short, den reisenden Eigenzuständen.

Nun, wenn K0_long und K0_short mit genau derselben Geschwindigkeit reisten, blieben sie "im Takt" zueinander, und die Mischung wäre nicht wahrnehmbar. Allerdings ist ihre Masse leicht unterschiedlich, was zu einer Geschwindigkeitsdifferenz führt und sie beim Reisen aus dem Takt bringt. Experimentell ist dies als eine Änderung des Mischungsverhältnisses in Abhängigkeit von der zurückgelegten Strecke beobachtbar, die zwischen zwei Extremen oszilliert. Zahlreiche Experimente wurden an K0-Mesonen durchgeführt, die das Bestehen dieser Oszillationen bestätigen. (Siehe z. B. Perkins (1982) für weitere Details). Ähnliche Oszillationen wurden theoretisch für B0-Mesonen vorhergesagt (das dritte-Familien-Äquivalent des zweiten-Familien-K0-Mesons) und wurden nun experimentell beobachtet (Schröder 1987; Abe et al 1999 und die dortigen Referenzen).

Was die schwache Wechselwirkung betrifft, so wird erwartet, dass Leptonen sich ähnlich wie Quarks verhalten. Es wäre daher natürlich, ähnliche Mischungserscheinungen unter den Leptonen zu erwarten. Konkret nehmen Neutrinos in den Leptonfamilien die entsprechende Stelle ein, die die K0- und B0-Konstituentenquarks in den Quarkfamilien einnehmen, sodass eine Mischung primär unter den Neutrinos erwartet werden würde. Allerdings wäre, wie bei den K0-Mesonen, die Mischung unobservable, wenn alle Neutrinos die gleiche Masse hätten. Und soweit uns direkte Messungen zeigen, haben alle drei Neutrinos tatsächlich die gleiche Masse, nämlich null (Klapdor-Kleingrothaus & Staudt 1995; Ackerstaff et al 1998). Im Standardmodell der Teilchenphysik wurde daher einfach angenommen, dass die Neutrinos eine Masse von null haben, doch es ist eine einfache Modifikation des Modells, eine geeignete Masse einzufügen.

Falls Neutrinos tatsächlich eine winzige Masse haben und verschiedene Neutrinos unterschiedliche Massen besitzen, verhalten sie sich wie K0-Mesonen. Sie werden in einem schwachen-Wechselwirkungseigenzustand erzeugt, bewegen sich jedoch in einem Masseneigenzustand, der vom schwachen Eigenzustand abweichen kann. (Die schwachen Wechselwirkungseigenzustände sind die drei zuvor besprochenen Neutrino-Arten: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino, Tau-Neutrino.) Wenn sie in unseren Detektoren ankommen und wechselwirken, erreichen sie nicht den ursprünglichen schwachen Eigenzustand, in dem sie erzeugt wurden, sondern als Mischung aus zwei oder mehr Arten. Dies war stets eine potenzielle Lösung für das solare Neutrino-Problem, da die ursprünglichen solaren Neutrino-Experimente einen scheinbaren Verschwinden von Elektron-Neutrinos zeigten, ohne die anderen Arten zu messen. Wenn die Neutrinos von dem 100%igen Elektron-Neutrino, in dem sie in der Sonne erzeugt werden, zu einer Mischung mit etwa 40% Elektron-Neutrino und 60% anderen Neutrinos oszillieren, ergibt sich eine recht gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Und nun, da SNO bestätigt hat, dass die anderen 60% tatsächlich als andere Arten von Neutrinos existieren, ist das Problem effektiv gelöst.

Denken Sie auch daran, dass dieses Ummischen ein oszillierender Prozess ist, der hin und her verläuft. In einem bestimmten Abstand (und dem Doppelten, Dreifachen, Vierfachen dieses Abstands usw.) vom Produktionspunkt haben sich die Neutrinos durch einen vollständigen Oszillationszyklus bewegt und befinden sich wieder im Zustand, mit dem sie begonnen haben. Bei der Hälfte dieses Abstands (und 1,5-, 2,5-fachen usw. dieses Abstands) ist das Mischen maximal. Diese Oszillationsdistanzskala hängt vom Massendifferenz zwischen den Neutrinos und von der Energie der Neutrinos ab. Eine kleine Massendifferenz und eine hohe Energie bedeuten eine sehr lange Oszillationsdistanz.

Mit Sonnenneutrinos ist der Abstand bekannt, 150 Millionen Kilometer, und die Energie ist bekannt. Aber die Tatsache, dass Sonnenneutrinos aus verschiedenen Fusionsketten unterschiedliche Energien haben, kann dazu führen, dass sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten in ihren Oszillationszyklen auf der Erde ankommen. Dies könnte die scheinbar größere Diskrepanz für Neutrinos aus Beryllium im Vergleich zu denen aus Bor- oder Proton-Proton-Fusion erklären. Auch variiert der Abstand entlang der elliptischen Umlaufbahn der Erde um die Sonne, was einen saisonalen Effekt verursacht, der als 'rauchende Pistole' für Neutrinooszillationen gelten würde. Bislang wurde kein solcher Effekt beobachtet, aber die Statistik ist immer noch zu schlecht, um ihn auszuschließen.

Neben den Oszillationseffekten, die allein durch die Reisedistanz entstehen, gibt es einen weiteren Oszillationsmechanismus, der für solare Neutrinos relevant sein könnte (wie es auch für K0-Mesone der Fall ist). Verschiedene Neutrino-Arten haben unterschiedliche Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten auf ihrem Weg aus der Sonne. Im Fall eines gemischten Neutrinos werden die verschiedenen Komponenten der Mischung unterschiedliche Wechselwirkungen unterliegen, wodurch unterschiedliche Anteile aus der Mischung entfernt werden. Das Ergebnis ist eine modifizierte Mischung, die dann durch den Weltraum zur Erde reist und möglicherweise als eine andere Art ankommt als die, die ursprünglich erzeugt wurde.

Dieser Neutrino-Umwandlungsprozess in Materie wird als Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein- (MSW) Effekt bezeichnet, benannt nach den Personen, die ihn entdeckt haben (Wolfenstein 1978; Mikheyev & Smirnov 1985). Eine gründliche, wenn auch etwas technische, Darstellung des MSW-Effekts (sowie gewöhnlicher (Vakuum-)Neutrinooszillationen) findet sich bei Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Ein deutliches Anzeichen für den MSW-Effekt wäre ein Unterschied im gemessenen Neutrino-Fluss zwischen Tag und Nacht, da die Neutrinos nachts durch die Erde hindurchgehen müssen und dabei zusätzliche MSW-Umwandlungen erfahren.

Neutrino-Oszillationen sind heute die vielversprechendste der vorgeschlagenen Lösungen für das solare Neutrinoproblem. Bis vor kurzem hatte die Sonne jedoch keine direkten Beweise dafür geliefert, dass Oszillationen tatsächlich stattfinden. Die SNO-Messung von solaren Neutrinos anderer Geschmacksarten als Elektron-Neutrinos ist jedoch ein rauchender Fingerabdruck. Mu- oder Tau-Neutrinos von der Sonne müssen oszillationskonvertierte Elektron-Neutrinos sein, da keine solchen Neutrinos in der Sonne erzeugt werden.

Neutrinoexperimente ohne Sonnenlicht

Neben den Solarneutrino-Experimenten gibt es eine Vielzahl anderer laufender Neutrinoexperimente, von denen mehrere nach Neutrinooszillationen und verwandten Phänomenen suchen. In den letzten zwei Jahren wurden positive Ergebnisse von einigen davon gemeldet, die das Konzept der Neutrinooszillationen stützen.

Das bisher solideste Ergebnis zur Neutrinooszillation, das nicht auf der Sonne basiert, stammt vom Super-Kamiokande. Super-K ist ein hochflexibles Experiment, das in der Lage ist, Neutrinos aus vielen verschiedenen Quellen zu detektieren, abgesehen von der Sonne. Eine prominente Neutrinoquelle hier auf der Erde sind die Wechselwirkungen kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre. Die relevanten kosmischen Strahlen bestehen hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen, die mit Kernen in der Luft wechselwirken und Duschen subatomarer Teilchen erzeugen, von denen einige auf ihrem Weg zum Boden beta-zerfallen. Diese Beta-Zerfälle erzeugen einen Fluss von Neutrinos mittlerer bis hoher Energie, die die Erdoberfläche treffen, durch den Planeten hindurchgehen und auf der anderen Seite wieder austreten. Wenn Neutrinos nicht oszillieren, würde man erwarten, dass die gleiche Anzahl von Neutrinos, die durch den Boden nach oben kommen, auch auf der anderen Seite nach unten gegangen ist. Super-K beobachtet jedoch einen signifikanten Unterschied. Ein beträchtlicher Anteil der Myon-Neutrinos scheint auf ihrem Weg durch die Erde zu verschwinden. Für die eigenen Präsentationen der Super-K-Gruppe siehe (Fukuda et al 1998a, b, d; Learned et al 1998; Super-Kamiokande 1998); für Perspektiven siehe (Normile 1998b; Wilczek 1998).

Ähnliche Ergebnisse wurden auch aus dem MACRO-Experiment in Italien (Ambrosio et al 1998; Spurio 1998) und aus Soudan2 und IMB (Gonzalez-Garcia et al 1998) berichtet, obwohl alle diese Experimente schlechtere Statistik und schlechtere Systematik als Super-K aufweisen. Die früheren negativen Ergebnisse von Frejus und NUSEX (Gonzalez-Garcia et al 1998) weisen so große statistische Unsicherheiten auf, dass sie innerhalb der Fehlergrenzen mit den Super-K-Ergebnissen vereinbar sind.

Die Suchen nach atmosphärischen Neutrino-Oszillationen ergänzen die Sonnenneutrinos, da sie Neutrinos mit höherer Energie und eine kürzere Flugstrecke aufweisen und somit einen anderen Bereich möglicher Neutrinomassenunterschiede untersuchen. Ein weiterer Bereich wird in Beschleunigerexperimenten untersucht, bei denen hochenergetische Neutrinos in Teilchenbeschleunigern erzeugt und über eine gewisse Strecke fliegen gelassen werden. Viele solcher Experimente wurden durchgeführt, die meisten mit negativen Ergebnissen (siehe z. B. Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995) und die dortigen Referenzen, oder Altegoer et al (1998), CHORUS (1998), Armbruster et al (1998)). Es gab jedoch eine Behauptung letztes Jahr, dass Neutrino-Oszillationen beobachtet worden seien, durch das LSND-Experiment (Athanassopoulos et al 1997; Glanz 1996). Das LSND-Ergebnis ist jedoch nicht universell akzeptiert, und es deutet auf einen Neutrinomassenunterschied hin, der viel größer ist als der von Super-K gefunden oder von Sonnenneutrinos impliziert. Ein anderes positives Ergebnis, das mit dem Rest besser übereinstimmt als LSND, findet sich in den vorläufigen Berichten des K2K-Experiments (Oyama 2001), bei dem ein Neutrinobündel von einem Beschleuniger aus über eine Distanz von einigen hundert km auf Super-K gerichtet wird.

Kernreaktoren sind eine weitere Quelle für Neutrinos, und mehrere Experimente haben nach Neutrinooszillationen in der Nähe von Reaktoren gesucht. Das jüngste davon, CHOOZ (Apollonio et al. 1997), schließt einen großen Teil der möglichen Erklärungen für die Super-K-Ergebnisse aus. Ein größeres Experiment, KAMLAND (Dazeley 2002), ein weiterer Nachfolger von Kamiokande, hat gerade mit der Datenerhebung begonnen.

Die Neutrino-Physik ist heute im Allgemeinen ein „heißes" experimentelles Thema, mit viel laufender Arbeit, nicht nur zu Neutrino-Oszillationen, sondern auch zu anderen Aspekten der Neutrino-Physik sowie zur Neutrino-Astronomie. Um nur einige Beispiele zu nennen: See Baikal (Balkanov et al 1997), ANTARES (Moorhead 1998b) und zuletzt, aber nicht am wenigsten, meine eigenen bescheidenen Beiträge in den PAN (Johansson 1991) und AMANDA (Askebjer et al 1995; Halzen 1997) Gruppen. Reviews sind auch zu finden in z. B. Petrera (1998) oder Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Für einen Überblick über offene theoretische Fragen siehe Haxton (1998).

Vorgeschlagene Lösungen

Die Ergebnisse zu Sonnenneutrinos können entweder durch einfache Oszillationen oder durch den MSW-Effekt erklärt werden. Die durch das Neutrino-Defizit der Sonne implizierten Neutrinomassenunterschiede und Mischungsparameter werden in verschiedenen Arbeiten diskutiert, z. B. Bahcall (1997a). Mit den neuen überzeugenden Beweisen für Neutrinooszillationen, die von Super-Kamiokande (Fukuda et al. 1998a) vorgelegt wurden, haben viele Menschen eine Vielzahl von Vorschlägen zur Modifikation des Standardmodells der Teilchenphysik eingereicht, um Neutrinooszillationen einzubeziehen. Es ergeben sich drei Kategorien vorgeschlagener Lösungen:

Beibehaltung des Großteils des Standardmodells, lediglich durch Ersetzen der Null-Neutrinomassen durch geeignete nicht-null Werte. Schmerzlos und einfach, aber nicht spannend (es sei denn, es gibt etwas Seltsames mit der neuen Neutrinomasse, wie Ehrlings (1999) Vorschlag eines Tachyon-Neutrinos). Beispiele sind Jarlskog et al (1999), Fritzsch & Xing (1998), Barger & Weiler & Whisnant (1998), Jezabek & Sumino (1998), Chikira & Haba & Mimura (1998), Barbieri et al (1998), Esposito & Tancredi (1997), Akhmedov et al (1998), Thun & McKee (1998), Conforto et al (1998), Xing (1998) und auch nicht weniger als derjenige, der den Nobelpreis für die Erfindung unserer aktuellen Standardtheorie der Neutrino-Wechselwirkungen erhielt, Sheldon Glashow (Georgi & Glashow 1998; Glashow & Kernan & Krauss 1998). Dennoch ist es etwas schwierig, alle experimentellen Ergebnisse, sowohl solare als auch atmosphärische und Beschleuniger-/Reaktorexperimente, zu berücksichtigen (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998a; Kang & Kang 1998; LoSecco 1998; Ahluwalia 1998).
Hinzufügen eines vierten Neutrinos (z. B. Lipmanov (1998), Bilenky & Giunti & Grimus (1998) oder Liu & Smirnov (1998)). Auch hier relativ einfach, außer dass es feste experimentelle Einschränkungen für die Anzahl der Neutrinos gibt, sowohl aus der Teilchenphysik (z. B. Aarnio et al (1989)) als auch aus der Kosmologie (Schramm & Turner 1998; aber siehe auch Pal (1998), Valle (1998) und Kirilova & Chizhov (1998)), die sie auf drei beschränken. Ein viertes Neutrino muss diesen Einschränkungen ausweichen und muss daher grundlegend anders sein als die anderen drei und noch schwerer zu fassen (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998b). Drei- und vier-Neutrino-Lösungen werden von Yasuda (1998) und Gonzalez-Garcia et al (1999) verglichen.
Ersetzen der Grundlagen des Standardmodells durch etwas Exotischeres, wie Supersymmetrie (Chun et al 1998; King 1998; Brooijmans 1998) oder eine Version der Großen Vereinheitlichung (Pati 1998; Nomura & Yanagida 1998; Bando & Yoshioka 1998), oder andere Neuheiten (Joshipura 1998; TBarenboim & Bernabeu & Jarlskog 1995; Elwood & Irges & Ramond 1998; Ahluwalia 1998).

Alle vorgeschlagenen Lösungen beanspruchen, mit den verfügbaren Daten übereinzustimmen (oder, in einigen Fällen, behaupten sie, dass einige der Daten, am häufigsten LSND, als unzureichend etabliert zu ignorieren sind), und viele von ihnen sind zumindest was die experimentell zugänglichen Aspekte betrifft, recht ähnlich. Weitere Experimente sind erforderlich, um zwischen den Modellen zu unterscheiden. Derzeit muss jedoch der Schluss gezogen werden, dass es keine Mangel an Neutrino-Lösungen für das solare Neutrinoproblem gibt.

Schlussfolgerungen zu Neutrinos

Mit der Veröffentlichung der SNO-Ergebnisse haben wir einen soliden Konsens erreicht: Neutrinooszillationen finden statt. Das solare Neutrino-Problem allein war zwar aufschlussreich, aber nicht zwingender Beweis; die Ergebnisse zu atmosphärischen Neutrinos schlossen den Fall für nicht-standardmäßiges Neutrinoverhalten endgültig ab, und SNO bestätigte, dass dies das solare Neutrino-Problem löst. Dies bedeutet auch, dass wir mit gutem Vertrauen davon ausgehen können, dass das Standard-Sonnenmodell eine gute Näherung dessen ist, was in der Sonne abläuft, da seine Vorhersage für den gesamten Neutrino-Fluss durch das SNO-Ergebnis mit guter Präzision bestätigt wird. Die Details der neuen Neutrinophysik sind noch nicht vollständig ausgearbeitet, und mehrere verschiedene Oszillationsszenarien sind weiterhin plausibel, doch neue experimentelle Daten sind unterwegs und werden voraussichtlich innerhalb weniger Jahre die verbleibenden, noch offenen Fragen klären.

Solar-kreationistische Argumente

Ein Großteil dessen, was in kreationistischen Quellen über die Sonne geschrieben wurde, konzentriert sich auf ihr Alter. Die Standardangabe von 4,5 Milliarden Jahren ist für einen Junge-Erde-Kreationismus natürlich anathema. Daher werden verschiedene Versuche unternommen, ein jüngeres Alter zu argumentieren, wobei korrekt darauf hingewiesen wird, dass eine junge Sonne einen jüngeren Ursprung des Lebens auf der Erde impliziert (jedoch dabei die Tatsache übergeht, dass auch das Umgekehrte zutrifft; Beweise für eine lange Geschichte des Lebens auf der Erde implizieren eine alte Sonne).

Schrumpfung

Es gibt zwei verschiedene Argumentationslinien bezüglich einer schrumpfenden Sonne. Die erste bezieht sich direkt auf die klassische Kelvin-Helmholtz-Theorie der Sonne, die durch gravitative Kontraktion leuchtet. Die zweite Linie basiert auf einer angeblichen Änderung des gemessenen Durchmessers der Sonne.

Die Theorie der gravitativen Kontraktion war im 19. Jahrhundert eine völlig respektable Mainstream-Wissenschaft. Wie im oben stehenden historischen Abschnitt beschrieben, wurde sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts aus guten wissenschaftlichen Gründen aufgegeben, die nichts mit Kreationismus zu tun hatten. Einige Kreationisten, insbesondere Barnes (1974), scheinen Entwicklungen in der Wissenschaft nach etwa 1895 nicht zu kennen und rufen Kelvins Argumente weiterhin als gültig an. Aber selbst wenn wir nichts über Kernfusion wüssten (oder wenn Fusion aus irgendeinem Grund in der Sonne nicht funktionieren würde), wäre Eddingtons (1920; 1924) Widerlegung der Theorie der gravitativen Kontraktion weiterhin standhaft. Dies widerspricht direkt den Behauptungen von Akridge (1980), dass die Theorie allein deshalb aufgegeben wurde, weil die Evolution mehr Zeit benötigte: "Wissenschaftler haben die Energiequelle der Sonne nicht immer der thermonuklearen Fusion zugeschrieben. Vor der Entdeckung der thermonuklearen Fusion hatte Helmholtz vorhergesagt, dass die Energie der Sonne durch den gravitativen Kollaps der Sonne geliefert wird. Dieses Modell wurde akzeptiert, bis die Theorie der Evolution begann, die wissenschaftliche Szene zu dominieren. Dann wurde Helmholtz's Erklärung verworfen, weil sie nicht den enormen Zeitraum lieferte, den die Theorie der organischen Evolution auf der Erde forderte. Die Ersatztheorie wurde von Bethe in den 1930er Jahren eingeführt, genau weil die thermonukleare Fusion die einzige bekannte Energiequelle war, die über die enormen Zeiträume, die von der Evolution gefordert werden, halten würde. Die Wissenschaft steht möglicherweise kurz davor, das Ersatz-Evolutionsmodell der Sonne zu widerlegen." (ibid, S. 3). Auch der letzte Satz von Akridge ist irreführend, da das Standardmodell der Sonne in keinem Sinne mit der darwinistischen Evolution verbunden ist, auf die er sich sonstwo im Zitat bezieht (und natürlich auch irreführend, da die Wissenschaft es derzeit bei weitem nicht widerlegt).

Andere Links:

Die Legende vom schrumpfenden Sonnen: Eine detaillierte Geschichte der Kreationisten, die behaupten, die Sonne schrumpfe.

Akridge (1980) ist zudem die primäre Quelle für die andere Argumentationslinie, die behauptet, dass die Schrumpfung der Sonne gemessen worden sei. Er stützt diese Behauptung ausschließlich auf die Ergebnisse von Eddy & Boornazian (1979). Bemerkenswerterweise scheint es dennoch so, als hätte er deren Papier nicht einmal gelesen – er verweist nicht direkt darauf, sondern nur auf eine Popularisierung (Lubkin 1980, siehe Referenz in Akridge 1980). Es ist auch interessant festzustellen, dass Akridge impliziert, dass E&B 400 Jahre Schrumpfung beobachtet hätten, während der Titel des E&B-Papiers 'Secular decrease in the solar diameter, 1863-1953' lautet und nur einen Zeitraum von 90 Jahren umfasst. Trotz dieser (und anderer) offensichtlicher Mängel ist Akrides Behauptung dennoch zu einer Standard-creationistischen Floskel geworden und wurde in zahlreichen creationistischen Publikationen wiederholt, von Brown (1995) bis Molén (1991).

Strahler (1987) rekapituliert die damals verfügbaren Daten und kontrastiert sie mit der Darstellung von Akridge (1980). Er stellt fest, dass

Eddy & Boornazian (1979) interpretieren ihr Ergebnis selbst nicht als Beleg für einen laufenden Wandel. Ihre Interpretation ihrer eigenen Daten wird von Akridge (1980) sofort abgetan.
Andere Messungen, die keinen signifikanten Rückgang zeigten, waren 1980 verfügbar, wurden aber von Akridge (1980) völlig ignoriert.
Spätere Messungen, die zwischen 1980 und 1987 veröffentlicht wurden, stützen Akridges Behauptung nicht.

The issue of the solar diameter has become of some interest recently, with the arrival of precise helioseismological data. Eddington's (1920) argument against gravitational contraction, from the frequency stability of variable stars, applies with a vengeance to helioseismology, which is much more precise. Helioseismology is so precise today, that comparison between theoretical calculations and measurements require a better knowledge of the solar radius than is currently available. Furthermore, as the sun is not a solid body, it does not have a well-defined surface at which to measure the radius (Castellani & Degl'Innocenti & Fiorentini 1998). The difference between different definitions amounts to a century's worth of Akridge-shrinking, making it plausible that the apparent shrinking reported by Eddy & Boornazian (1979) might well be due to systematic errors when comparing data taken over long periods of time by different observers using different instruments and, quite possibly, different definitions.

Eine kürzlich durchgeführte Messung des Sonnendurchmessers stammt von Brown & Christensen-Dalsgaard (1998). Aus Daten, die über den Zeitraum 1981-1988 erhoben wurden, geben sie einen Radius von 695.508 ± 26 km an, ohne Hinweise auf eine zeitliche Veränderung. Das Thema der Oberflächenbestimmung wird ausführlich diskutiert, was zu dem Schluss führt, dass ihre Definition etwa 500 km kleiner ist als diejenige, die in den meisten vorherigen Schätzungen verwendet wurde. Selbst über einen so kurzen Zeitraum hinweg ist ihre Zeitreihe ausreichend, um ein anhaltendes Schrumpfen mit der Akridge-Rate von fünf Fuß pro Stunde auszuschließen, wenn auch auf einem bescheidenen statistischen Vertrauensniveau. Ich habe die Daten aus Abbildung 2 in Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) extrahiert und einige Linienanpassungen durchgeführt, wobei sich ergab, dass die beste Anpassung an die Daten ein geringfügiges, statistisch nicht signifikantes Wachstum des Sonnendurchmessers ist. Keine Unterstützung whatsoever für Schrumpfung.

Für eine etwas längere Zeitskala verwende ich den Wert von Allen (1973), der sowohl von Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) als auch von Castellani & Degl'Innocenti & Fiorentini (1998) als Standardreferenzwert vor den 1990er Jahren zitiert wird. Ausgehend von Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) habe ich sowohl ihre Messung als auch die von Allen (1973) neu berechnet, basierend auf derselben Oberflächendefinition, die ich für angemessen halte. Daraus ergibt sich ein Wert für den scheinbaren Durchmesser der Sonne von 1919,31 ± 0,19 Bogensekunden im Jahr 1973 und durchschnittlich 1919,359 ± 0,018 Bogensekunden zwischen 1981 und 1988. Akridges angebliche Schrumpfung entspricht etwa 0,25 Bogensekunden über denselben Zeitraum, wobei davon keine Spur sichtbar ist. Es scheint, als hätte die Sonne aufgehört, sich zu schrumpfen.

Neutrinos und solare Fusion

Fusion ist die einzige bekannte Energiequelle, die die Sonne über Milliarden von Jahren am Laufen halten kann. Der Mangel an Neutrinos aus der Sonne wurde von mehreren Kreationisten als Beweis dafür angeführt, dass etwas mit dem Standard-Sonnenmodell nicht stimmt, und als Beweis dafür, dass die Sonne nicht Milliarden von Jahren alt sein kann. Dieses Argument ist eng mit der Schrumpfung verknüpft, die im vorherigen Abschnitt diskutiert wurde; Davies (1996) schließt daraus, dass die Sonne aufgrund des Mangels an Neutrinos ihren Energiebedarf noch größtenteils durch gravitative Kontraktion deckt und somit jung ist. Dennoch gibt Davies zu, dass einige Fusion stattfindet und die Neutrinos erzeugt, die wir tatsächlich beobachten. Walter Brown (1995) berief sich ebenfalls auf den Mangel an Neutrinos als Beweis gegen das Standard-Sonnenmodell (zusammen mit einer Fülle anderer astrophysikalischer Irrtümer), und dies wird auch wiederholt (zusammen mit einem ähnlichen Satz astrophysikalischer Irrtümer) in der Creation-Evolution Encyclopedia von Harvestime Books (http://www.pathlights.com/ce_encyclopedia/Index.htm). Akridge (1980) schreibt ebenfalls den meisten Sonnenenergie der gravitativen Kontraktion zu, hat jedoch das gegenteilige Problem – sein schrumpfendes-Sonnen-Modell liefert zwei Größenordnungen zu viel gravitative Energie! Bezüglich der Fusion sagt er lediglich: "nicht all diese [der Sonne] Energie stammt aus thermonuklearer Fusion." (ibid, S. 3), wodurch die Frage offen bleibt, was man mit dem Überschuss anfangen soll und wie man ihn mit den Ergebnissen der Sonnenneutrino-Messungen in Einklang bringen kann.

Hinsichtlich des Mangels an Sonnenneutrinos als „Beweis" dafür, dass es keine (oder zu wenig) Fusion in der Sonne gibt (z. B. Snelling 1997, Oard 1995), glaube ich, dass dieses Argument in den vorhergehenden Abschnitten dieser FAQ umfassend widerlegt wurde. Es gibt starke Hinweise darauf, dass der scheinbare Defizit an Sonnenneutrinos auf Neutrinooszillationen zurückzuführen ist und nicht auf Mängel des Sonnenfusionsmodells. Dies hat unabhängige Unterstützung sowohl aus Ergebnissen zu Sonnen- als auch terrestrischen Neutrinooszillationen erhalten, und es gibt zudem mehrere unabhängige Belege zugunsten des Standard-Sonnenmodells mit Fusion. Ein Modell der Sonne als junger Stern, bei dem ein großer Anteil ihrer Energie aus gravitativer Kontraktion stammt, ist mit ihrer aktuellen Farbe und Leuchtkraft unvereinbar und steht in grobem Widerspruch zu helioseismologischen Ergebnissen. Dass die Sonne sich nicht mehr in der Kontraktionsphase befinden kann, wurde bereits in den 1920er Jahren festgestellt, lange vor der Entdeckung der Fusion.

Sarfati (2000/2002) ist ein weiterer Kreationist, der in der ursprünglichen Version seines Papiers aus dem Jahr 2000 das solare Neutrino-Problem als Beweis gegen die Fusion in der Sonne herangezogen hat. Allerdings gibt es in der Online-Version seines Papiers unter http://www.answersingenesis.org/docs/4180.asp eine im Mai 2002 hinzugefügte Anmerkung, nachdem die Ergebnisse von SNO vorlagen: "Dies ist mit anderen Beweislinien konsistent, die zeigen, dass die Fusion die primäre Energiequelle ist, z. B. die Kerntemperatur. Dies bedeutet, dass Neutrinos doch eine sehr kleine Ruhemasse haben müssen – experimentelle Daten müssen Vorrang vor den Theorien der Teilchenphysiker haben, die eine Null-Ruhemasse für Neutrinos postulieren. Daher sollten Kreationisten das Problem der fehlenden Neutrinos nicht mehr heranziehen, um zu bestreiten, dass die Fusion die primäre Energiequelle für die Sonne ist." Dies ist lobenswerte Ehrlichkeit – doch dann verdirbt er den guten Eindruck, indem er in derselben Anmerkung ein völlig veraltetes zweites Hand-Zitat (von Eddy 1978) einfügt, als hätte es noch irgendeine Relevanz.

Als Seitenbemerkung scheint der kreationistische Unruh (1995) das Standard-Sonnenmodell zu akzeptieren und erkennt ausdrücklich an, dass die Kernfusion die Hauptenergiequelle ist. Er begeht jedoch andere astrophysikalische Fehler, indem er behauptet, dass "Es ist eine bekannte Tatsache, dass die meisten Sterne sichtbares Licht nur in geringen Anteilen erzeugen und in ihrer Abstrahlung von tödlichen Strahlungen wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen am intensivsten sind." (ebd., S. 3). Alle Hauptreihensterne emittieren einen großen Anteil ihrer Strahlung als sichtbares Licht. Der Beweis steht jedem Sternenhimmel zur Verfügung – wenn die Sterne nicht mit viel sichtbarem Licht leuchten würden, würden wir sie nicht am Himmel sehen! Er bemerkt zudem korrekt, dass die Mehrheit der Sterne kleiner als die Sonne ist – geht dann aber weiter und behauptet, die Sonne sei einzigartig, und ignoriert dabei die Tatsache, dass allein in der Milchstraße Milliarden von G-Typ-Sternen (zu denen die Sonne gehört) existieren.

Lithium, Beryllium und Helioseismologie

Neben dem oben diskutierten Sonnen-Neutrino-Mangel legt Davies (1996) zwei weitere Argumente für eine junge Sonne vor:

"Die fundamentale Oszillation der Sonne entspricht der eines jungen Sterns." (ebd, S. 1)
"Die Lithium- und Beryllium-Konzentration in der Sonne ist mit der eines jungen Sterns vereinbar." (ebd, S. 3)

The first argument is based entirely on a very early helioseismological measurement (Severny et al 1976, see ref in Davies (1996)), from a time when the field was still in its infancy. At the time when Davies was writing, twenty years later, the field had matured considerably, and a huge body of additional measurements and calculations were available to him (see e.g. Bahcall (1989) and Gough et al (1996a) and references therein). Remarkably enough, he completely ignores the more up-to-date publications, and concentrates on an obsolete and superceded result. By some strange coincidence, it so happens that the 1976 result appears to support Davies' young-sun thesis, whereas the more recent results emphatically do not. This issue is further discussed in O'Brien (1998).

Davies (1996) behauptet, dass die Beweise auf einen homogenen Sonnenkern mit einem gründlich durchmischten Inneren hindeuten. Die Möglichkeit eines durchmischten Kerns wurde tatsächlich in den frühen siebziger Jahren erwogen und diskutiert, doch wenn die Vorhersagen der Modelle mit durchmischtem Kern mit den jüngsten helioseismologischen Messungen verglichen werden, stellt sich heraus, dass alle Modelle mit großräumiger Durchmischung eindeutig ausgeschlossen werden können (Degl'Innocenti & Ricci 1998; Richard & Vauclair 1997; Stix 1998). Dies ist auch implizit in den jüngsten Messungen des Alters der Sonne (wie oben diskutiert) enthalten, die ebenfalls die Möglichkeit eines jungen, homogenen Sonnenkerns ausschließen (Guenther & Demarque 1997; Brun & Turck-Chieze & Morel 1998).

Dennoch deuten helioseismologische Daten (Brun & Turck-Chieze & Zahn 1998) auf geringe Mengen an Durchmischung hin, nicht tief im Kern, sondern an der Grenze zwischen der Strahlungs- und der Konvektionszone der Sonne. Diese oberflächliche Durchmischung hilft jedoch nicht Davies' (1996) Argument für eine junge Sonne. Stattdessen schwächt sie sein anderes Argument, das sich mit Beryllium und Lithium in der Sonne befasst.

Lithium und Beryllium sind zwei leichte Elemente, die beide geschätzt wurden, zu einem bestimmten Zeitpunkt (in niedrigen Konzentrationen) Teil der ursprünglichen chemischen Zusammensetzung der Sonne gewesen zu sein. Beide Elemente werden leicht durch Fusion verbraucht, wobei Lithium etwas schneller als Beryllium geschieht – es sind Temperaturen von etwa 2,5 Millionen Grad erforderlich, um Lithium „zu verbrennen", während Beryllium 4 Millionen Grad benötigt (im Vergleich zur gegenwärtigen Kerntemperatur der Sonne von etwa 15 Millionen Grad).

Verblüffenderweise weist Davies (1996) korrekt darauf hin, dass das Oberflächenmaterial der Sonne immer noch sein ursprüngliches Beryllium (Balachandran & Bell 1998) enthält, während das Lithium stark verarmt ist. Daraus kann man schließen, dass das Oberflächenmaterial einer Temperatur von 2,5 Millionen Grad ausgesetzt war, aber nicht 4 Millionen Grad. Davies geht dann weiter und behauptet dies als Beweis dafür, dass die Kerntemperatur der Sonne noch nicht 4 Millionen Grad erreicht hat, was natürlich impliziert, dass die Sonne noch jung ist und ihre Fusion noch nicht richtig läuft.

sorgfältige Berechnungen des Mischungsgrades von Oberflächen- und Kernmaterial in jungen Sternen führen jedoch dazu, dass vorhergesagt wird, in Sternen der Größe der Sonne während ihrer frühen Kontraktionsphase, in der Davies die Sonne einordnen möchte, keine signifikante Menge an Lithium oder Beryllium verloren gehen sollte. Diese Vorhersage wird durch Beobachtungen von Neugeborenen-Sternen bestätigt, die ihr ursprüngliches Lithium noch beibehalten. Das Lithium geht später verloren, während der Hauptreihen-Lebensdauer der Sterne (Bahcall & Pinsonneault 1995).

Eine geringe Menge an Durchmischung entlang der Grenze zwischen der oberflächlichen konvektiven Zone und der Kernstrahlungszone, ähnlich wie von Brun & Turck-Chieze & Zahn (1998) gefunden, kann diese langsame Lithiumverarmung erklären. Berechnungen von Blöcker et al. (1998) geben die genaue Menge an Durchmischung an, die benötigt wird, um die aktuelle Oberflächenkonzentration von Lithium (während das Beryllium erhalten bleibt) nachzubilden, und finden eine konsistente Lösung für eine Sonne, die 4,5 Milliarden Jahre alt ist. Es gibt auch andere vorgeschlagene Lösungen für das Lithiumdefizit; siehe die Referenzen in Blöcker et al. (1998).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eines der Argumente von Davies einfach veraltet ist, und das andere dient eher dazu, das hohe Alter der Sonne zu bestätigen, als ihren jugendlichen Zustand zu beweisen.

Schwacher junger Sonne

Der sogenannte „Paradox des schwachen jungen Sonnens" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Sonne, gemäß dem Standard-Sonnenmodell, im Laufe der Gigajahre langsam an Leuchtkraft zunimmt. Während der Zeitspanne des Lebens auf der Erde, knapp 4 Milliarden Jahre, hat die Ausstrahlung der Sonne um etwa 25% zugenommen (Sagan & Chyba 1997). Trotz dieser Zunahme der solaren Erwärmung war das Klima hier stabil genug, um das Fortbestehen des Lebens zu ermöglichen.

Faulkner (1998) rief das schwache junge-Sonne-Paradoxon als Beweis dafür ins Spiel, dass die Sonne jung ist. Orthodoxe Erklärungen des Paradoxons (auf die wir uns unten noch beziehen werden) werden als zu unwahrscheinlich abgetan, es sei denn, dahinter stehe eine leitende Intelligenz. Wenn die Erde vor kurzem erschaffen worden wäre (angeblich mit einer künstlich gealterten Sonne, um ihre aktuelle Leuchtkraft zu entsprechen, die tatsächlich nicht die einer 6000 Jahre alten Sonne ist), wird das Paradoxon trivial gelöst, da keine Zeit für eine merkliche Änderung der Leuchtkraft vergangen ist.

Jedoch ist Faulkners Argument aus mehreren Gründen weniger als vollständig überzeugend. Der Zusammenhang zwischen der Sonnenstrahlung und dem irdischen Klima ist alles andere als einfach. Zudem gibt es in seiner Argumentation einige kleinere irreführende Details, wie etwa sein Zitat einer 40-prozentigen Änderung der Leuchtkraft seit 4,6 Milliarden Jahren, anstatt der interessanteren 25-prozentigen Änderung seit dem Beginn des Lebens etwas später. Das Klima vor dem Beginn des Lebens ist völlig irrelevant, ebenso wie jede Änderung der Leuchtkraft vor dieser Zeit. Durch die Wahl des richtigen Startpunkts kann man jede gewünschte Änderung auswählen – die Leuchtkraft der Sonne war vor 6 Milliarden Jahren um 100 % geringer, als sie gar nicht leuchtete...

Es sollte auch beachtet werden, dass eine Änderung der Sonnenstrahlung um 25 % (oder 40 %) nicht in eine entsprechende Änderung der Temperatur auf der Erde übergeht. Zunächst einmal wird die Temperatur durch das Gleichgewicht zwischen Wärmeein- und -ausstrahlung bestimmt. Die Einstrahlung ist direkt proportional zur Sonnenleuchtkraft – die Ausstrahlung ist jedoch im ersten Näherungsfall proportional zur vierten Potenz der Erdtemperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz; siehe jedes Physik-Lehrbuch). Unter der Annahme, dass keine Rückkopplungseffekte vorliegen, führt eine Änderung der Sonnenleuchtkraft um 25 % zu einer Änderung der Oberflächentemperatur hier um 7 %, was nicht tödlich sein muss – es liegt in derselben Größenordnung wie der Unterschied zwischen tropischen und arktischen Klimazonen heute, der überlebensfähig ist.

Es gibt jedoch im Klimasystem der Erde reichlich Rückkopplungen, sowohl positive als auch negative. Faulkner stellt richtig fest, dass ungebremste positive Rückkopplungen tödlich sein werden, wie es auf dem Mars und Venus der Fall war (in entgegengesetzter Richtung). Er behauptet auch, dass jede negative Rückkopplung sorgfältig „abgestimmt" sein muss, um die große Änderung der Einstrahlung zu bewältigen, und erklärt, dass eine solche Feinabstimmung in einem naturalistischen Rahmen weniger plausibel ist als die jüngste göttliche Schöpfung.

Das Rückkopplungssystem der Erde ist hochkomplex, aber zwei Hauptfaktoren lassen sich erkennen:

Albedo, ein Maß dafür, wie viel Licht von der Erde reflektiert wird, ohne sie dabei zu erwärmen. Ein höherer Albedowert bedeutet bei sonst gleichen Bedingungen ein kühleres Klima. Sowohl positive Rückkopplungseffekte (Erwärmung verringert die hochalbedoige Schneedecke in hohen Breiten) als auch negative Rückkopplungseffekte (Erwärmung kann die Verdunstung erhöhen und damit die hochalbedoige Wolkenbedeckung verstärken) sind vorhanden; es ist nicht offensichtlich, welcher Effekt in der Praxis dominieren würde.
Treibhauseffekt, der durch bestimmte Gase in der Atmosphäre verursacht wird, die Sonnenlicht hereinlassen, aber die Wärme von der Erde verhindern, ins Weltall zu entweichen. Die Erde ist derzeit etwa 30 Grad wärmer, als sie ohne jeden Treibhauseffekt wäre, aufgrund von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Atmosphäre (die gut bekannte Bedrohung durch die globale Erwärmung ist auf unsere Freisetzung einer großen Menge zusätzlichen Kohlendioxids durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückzuführen, wodurch der Treibhauseffekt verstärkt wird). Andere Treibhausgase, die vor vier Milliarden Jahren möglicherweise eine wichtige Rolle spielten, sind Methan und Ammoniak. Die Treibhaus-Rückkopplungseffekte sind noch komplexer als beim Albedo, insbesondere wenn Leben vorhanden ist.

Unraveling all the various feedback effects is a thriving research industry today, dedicated to understanding the threat of global warming, and what needs to be done about it. A couple of recent reviews: (Trenberth 1997; Mahlman 1997; Keeling 1997; Lindzen 1997; Thomson 1997). The faint young sun paradox is a less immediate threat, and so attracts less funding in itself, but a lot of the global-warming results can be generalized.

Es gibt zwei Hauptpunkte zu behandeln, um zu beurteilen, wie ernsthaft man die Argumente von Faulkner (1998) nehmen sollte:

Wie fein musste die Feinabstimmung sein? Wir wissen, dass Leben entstehen und überleben konnte (da es immer noch hier ist), aber musste es jederzeit gedeihen? Welche klimatischen Extreme könnte die Erde aushalten, ohne vollständig sterilisiert zu werden?
Wie plausibel sind die Rückkopplungsmechanismen, die herangezogen werden müssen, um den klimatischen Bericht zu erklären?

The formation of life is usually imaged in terms of Darwin's classical warm pond of organic soup, which requires a friendly climate. But there are other scenarios which are much less sensitive. One recently popular theory of abiogenesis postulates early life getting started at underwater volcanic vents (Chyba 1998; for a popular account, see Fortey (1997)). Since this one is driven entirely by volcanic energy, it is essentially insensitive to surface climate, within very wide limits -- the oceans should neither boil away nor freeze solid to the bottom, but surface temperatures anywhere between –100 and +100 centigrades ought be ok. A frozen surface under a faint sun is thus no obstacle (Bada & Bigham & Miller 1994). An interesting present-day analogy is Jupiter's moon Europa (Kerr 1997; McKinnon 1997; Carr et al. 1998; Khurana et al 1998; Greenberg et al. 1998), where it is speculated that life may exist in an ocean underneath a thick ice cover (Gaidos & Nealson & Kirschvink 1999), despite Europa receiving a lot less sunlight than the faint young sun delivered to the earth.

Obwohl das Leben möglicherweise unter einer dicken Eisdecke entstanden sein könnte, zeigt der Fossilbericht das Vorhandensein einer eisfreien Oberfläche innerhalb weniger hundert Millionen Jahre vom Beginn an. Stromatolite (häufige frühe Fossilien) sind Flachwasserformationen, und die Photosynthese scheint ebenfalls eine frühe Entwicklung gewesen zu sein (Cowen 1995). Es gibt auch isotopische Hinweise auf ein warmes Klima in frühen Zeiten (Weisstein 1996). Wir benötigen also dennoch ein annehmbares Klima zu einer Zeit, als die Sonne 20 % schwächer war als heute. Der vernünftigste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, einen stärkeren Treibhauseffekt anzunehmen.

Es gibt eine beträchtliche Menge an Beweisen dafür, dass die Atmosphäre der frühen Erde sich erheblich von der Stickstoff-Sauerstoff-Mischung unterschied, die wir heute atmen. Der Sauerstoff ist fast ausschließlich das Produkt photosynthetischer Organismen, die zu Beginn noch nicht vorhanden waren. Es gibt zudem Beweise aus alten Mineralien, wonach die Atmosphäre zum Zeitpunkt ihrer Entstehung frei von Sauerstoff war, sowie Hinweise aus späteren Mineralien (insbesondere den sogenannten „banded iron formations") auf einen Übergang zu einer sauerstoffreichen Atmosphäre nach vielleicht zwei Milliarden Jahren (Cowen 1995; Kerr 1999).

Derzeit sind riesige Mengen an Kohlenstoff von Organismen in lebender Biomasse und in karbonatischen Sedimenten gebunden; es ist sehr wahrscheinlich, dass ein Großteil dieses Kohlenstoffs früher in Form von Kohlendioxid (Sagan & Chyba 1997) vorlag. Die derzeitigen Kohlenstoffreservoire würden, wenn sie vollständig in Kohlendioxid umgewandelt würden, eine Atmosphäre ergeben, die der von Venus ähnelt, mit mehr als genug Treibhauseffekt, um für eine schwächere Sonne zu kompensieren. Es ist nicht klar, wie viel Kohlenstoff tatsächlich in der Atmosphäre war (Kasting 1993; Sagan & Chyba 1997), aber selbst wenn es nur ein kleiner Bruchteil des verfügbaren war, würde ein beträchtlicher Treibhauseffekt entstehen. Einige Messungen des alten Kohlendioxids wurden durchgeführt (Mora & Driese & Colarusso 1996), jedoch nicht in den relevanten Zeitperioden.

Darüber hinaus gibt es andere Gase, die potenziell große Treibhausbeiträge auf der frühen Erde leisten, insbesondere Methan und Ammoniak (Kerr 1999). Sagan & Chyba (1997) schlagen ein von Ammoniak dominiertes Modell vor, in dem genügend Treibhaus-Erwärmung erzeugt wird, um trotz einer schwachen Sonne Temperaturen über dem Gefrierpunkt zu erreichen.

Kohlendioxid, Methan und Ammoniak sind alle häufige Gase in den Atmosphären anderer Planeten und stellen unter Berücksichtigung unserer aktuellen Theorien zur Planetenentstehung vernünftige (fast unvermeidbare) Bestandteile der ursprünglichen Erdatmosphäre dar. Es ist daher höchst plausibel, dass ein erheblicher Treibhauseffekt zumindest teilweise für die schwache frühe Sonne kompensiert hat.

Die Bedingungen auf der sehr frühen Erde, die das Auftreten und die frühe Evolution des Lebens ermöglichen, scheinen ohne das Herbeiziehen zu vieler Unwahrscheinlichkeiten erreichbar zu sein. Wenn sich die Sonne jedoch später erwärmte, haben wir ein Problem; wenn die Treibhausatmosphäre zu lange aufrechterhalten wird, während die Sonne heller wird, kann ein unkontrollierter Treibhauseffekt durch positives Feedback entstehen, was zu einer Venus-ähnlichen Situation führt und die Erde unbewohnbar macht. Eine ausgleichende negative Rückkopplung ist erforderlich.

Einige geochemische Rückkopplungen sind möglicherweise denkbar, scheinen aber nicht auszureichen (Lenton 1998). Auch lebende Organismen begannen, Kohlendioxid in Sauerstoff und organische Materie umzuwandeln, wodurch der Treibhauseffekt, sobald die Photosynthese einsetzte, erheblich abnahm. Es gibt jedoch keinen offensichtlichen Grund dafür, dass dieser Prozess exakt mit der zunehmenden Leuchtkraft der Sonne synchron bleibt. Vielleicht waren wir einfach nur Glückspilze, doch als Erklärung ist dies nicht ganz befriedigend. Falls die Abstimmung tatsächlich sehr präzise sein musste, hätte Faulkner (1998) mit der Bezeichnung „wunderbar" einen Punkt.

Es scheint jedoch, dass die Erde erhebliche Klimaschwankungen ertragen kann, wodurch die Notwendigkeit einer hochpräzisen glücklichen/wunderbaren Feinabstimmung entfällt. Es gibt Hinweise auf ausgedehnte Vereisungen in der Präkambrium-Zeit (Kaufman & Knoll & Narbonne 1997; Jenkins & Frakes 1998), die mit deutlich wärmeren Perioden abwechselten. Mindestens eine der Vereisungen könnte den gesamten Planeten bedeckt haben, was zu einem tief gefrorenen „Schneeball-Erden"-Zustand führte (Hoffman & Kaufman & Halverson 1998; Kerr 1998; Hoffman et al 1998). Leben unter mehreren Kilometern Eis kann für einen angemessenen Zeitraum überleben, indem es beispielsweise geochemische Energie nutzt (Gaidos & Nealson & Kirschvink 1999), auch wenn massive Aussterbeereignisse weniger widerstandsfähiger Lebensformen zu erwarten sind. Der Präkambrium-Fossilbericht ist so lückenhaft, dass eine (oder sogar mehrere) Massenaussterben in der erwarteten Größenordnung einer solchen tiefen Vereisung möglicherweise unbemerkt vorüberzogen sind, selbst wenn nur wenige Organismen überlebten und sich dann erneut diversifizierten.

Wenn das Leben einem solchen instabilen Klima standhalten könnte, ist das Implausibilitätsargument von Faulkner (1998) stark geschwächt.

Eine andere Lösung für das Problem der schwachen jungen Sonne wird von Befürwortern der Gaia-Hypothese angeboten (Lenton 1998 und die darin zitierten Quellen). Die Grundidee ist, dass das Klima durch aktive biologische Rückkopplungen stabil gehalten wird; entweder durch ein mystisches planetarisches Bewusstsein der Gaia oder durch naturalistischere Mittel, wie von Lenton argumentiert (1998; siehe aber auch Robertson & Robinson (1998)). Es wäre belehrend für Kreationisten, Gaia-Publikationen zu studieren, denn hier haben wir eine weitere unorthodoxe Hypothese mit wissenschaftlichen Ambitionen und religiösen Bezügen. Dennoch schaffen es Gaians, im Gegensatz zu Kreationisten, in hochangesehenen, peer-reviewten Zeitschriften veröffentlicht zu werden (Lenton (1998) erscheint in Nature), die einen Artikel wie Faulkners mit einem zehnfüßigen Stab nicht berühren würden. Der Unterschied lässt sich kaum durch eine anti-religiöse Voreingenommenheit erklären, da es in der Gaia-Hypothese genauso viel Religion gibt, noch durch eine spezifisch anti-christliche Voreingenommenheit – ich wage zu wetten, dass es unter den Herausgebern von Nature mehr Christen als religiöse Gaians gibt. Für jeden, der sich tatsächlich mit dem Funktionieren der Wissenschaft auskennt, macht ein Vergleich von Lenton (1998) und Faulkner (1998) die Antwort offensichtlich: Lenton ist ein kompetenter Wissenschaftler, der die Regeln kennt und in der Lage ist, seine Wissenschaft von seiner Religion zu trennen. Er vermeidet elementare Fehler und vermeidet schrille Rhetorik. Kreationisten tun keines dieser Dinge (obwohl Faulkners Papier weit über dem Durchschnitt der kreationistischen Schriften liegt). Wenn Kreationisten so schreiben könnten wie Lenton, könnten auch sie in echten Zeitschriften veröffentlicht werden und sich wissenschaftlichen Respekt verdienen.

Kristalline Sonne

Zu den kurioseren Behauptungen über die Natur der Sonne gehört die von Leontiev (1998). Nach seiner Auffassung ist die Sonne ein riesiger Kristall, in dem keine hässliche, chernobylartige Fusion stattfindet; stattdessen wird die Energie durch eine Art unbestimmte, ewige, saubere, nicht-nukleare Magie bereitgestellt.

Der Großteil der Sonne besteht laut Leontiev aus kristalliner Materie, die sich von normaler Materie unterscheidet. Eine dünne Schicht aus normaler Materie bedeckt die Oberfläche und erzeugt die beobachteten Spektrallinien, wodurch Spektroskopiker glauben machen wird, dass die gesamte Sonne aus Atomen besteht. Sonnenflecken sollen Lücken in der Oberflächenschicht sein, in denen das Kristallmaterial direkt sichtbar ist; es ist leider für Leontievs Theorie, dass Spektrallinien von normalen Atomen (einschließlich rein atomarer Phänomene wie der Zeeman-Effekt) auch innerhalb von Sonnenflecken beobachtet werden können (Karttunen et al 1994).

Nun, wenn die Sonne ein riesiger Kristall wäre, müsste sie wie ein starrer Körper rotieren. Das tut sie nicht. Die Äquatorialregionen der Sonne rotieren viel schneller als in höheren Breiten (Pasachoff 1995). Helioseismologische Studien haben bestätigt, dass die differentielle Rotation viel tiefer reicht als die untere Grenze der Sonnenflecken (Thompson et al. 1996). Die Helioseismologie hat darüber hinaus, jenseits vernünftigen Zweifels, bestätigt, dass das Innere der Sonne durchweg flüssig ist; ein kristallines Innere wäre in ihren Daten offensichtlich. Nicht dass es eine Bestätigung bedürfte; die Vorstellung, die Sonne sei fest, wurde kurz nach der Entdeckung der Sonnenflecken aufgegeben, worauf die Beobachtung der differentiellen Rotation folgte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kristalline Sonne eine unverfälschte Idee von Amateuren ist, die nicht einmal die täuschende Scheinähnlichkeit des üblichen kreationistischen Materials aufweist.

Referenzen

HINWEIS: Zum Komfort der Nutzer verweisen viele der Referenzen auf Websites, manchmal zusätzlich zur formellen Referenz auf Veröffentlichungen in peer-reviewten Zeitschriften. Das Los Alamos Preprint-Repository ( http://xxx.lanl.gov ) wird intensiv genutzt, da ein großer Anteil aller relevanten Physik- und Astronomieartikel dort auftaucht, bevor sie formell veröffentlicht werden. Es ist eine hervorragende Seite für alle, die auf dem Laufenden bleiben möchten, was neue Entwicklungen in diesem Bereich betrifft.

Unbequemer können die häufigen Verweise auf tatsächliche Forschungsarbeiten sein, die für Laien nicht-triviale Lektüre darstellen können. Insbesondere theoretische Arbeiten mit neuen Hypothesen zur Neutrinooszillation sind für jeden, der kein theoretischer Physiker ist, oft eher undurchsichtig.

Für Zitate aus im Internet verfügbaren Dokumenten (insbesondere die Publikationen des ICR) nenne ich Seitenzahlen aus Netscape-Ausdrucken.

Aarnio et al (1989) 'Messung der Masse und Breite des Z0-Teilchens aus Mehrrhadron-Endzuständen, die in e+e--Annihilationen erzeugt werden' Phys Lett B231:539
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