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Wo wurden jemals die höchste und die niedrigste Temperatur gemessen und wie macht man das in diesen Extrembereichen?

29. April 2008

  • D Naturwissenschaften und Mathematik

Wo wurden jemals die höchste und die niedrigste Temperatur gemessen und wie macht man das in diesen Extrembereichen?

Die tiefste gemessenen Temperatur wurde auf der Erde künstlich hergestellt und liegt bei wenigen Nanokelvin (wenige Milliardstel Kelvin). Die höchste Temperatur von 500 Milliarden Kelvin wurde in einer Supernova (einer Sternenexplosion) in der großen Magellanschen Wolke gemessen. Die natürlich auf der Erde vorkommende Extrem-Temperaturen liegen bei plus 58 Grad Celsius (El Asisija in Lybien) und fast minus 90 Grad Celsius (Wostok-Station in der Antarktis).

Diese Werte lassen sich noch mit Hilfe eine Berührungsthermometers messen. Das Thermometer kommt dabei direkt in Berührung mit dem Medium, dessen Temperatur gemessen werden soll. Die Meßmethode beruht auf der temperaturabhängigen Ausdehnung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. Die Grenzen des Messbereiches werden durch die Eigenschaften des verwendeten Materials wie Siedepunkt und Erstarrungstemperatur gesetzt. Den natürlichen irdischen Temperaturbereich kann man beispielsweise mit einem Alkoholthermometer messen, dessen Messbereich von minus 120 bis plus 60 Grad Celsius reicht.

Für die Messung extrem tiefer Temperaturen nutzen Wissenschaftler physikalische Zusammenhänge zwischen der Temperatur und anderen Eigenschaften der chemischen Elemente. So nutzt man den Schmelzdruck eines Helium-Isotops (3He), um Temperaturen zwischen ein Kelvin bis hinunter zu 0,9 Millikelvin zu ermitteln.

Die tiefste gemessene Temperatur wurde auf der Erde künstlich erzeugt und liegt bei wenigen Nanokelvin über dem absoluten Nullpunkt, also knapp über minus 273,15 Grad Celsius. Der letzte Schritt auf dem Weg zu diesem Kälterekord ist die so genannte magnetische Kühlung. Die zu kühlende Probe aus Helium verliert dabei ihre magnetischen Eigenschaften. Zur Temperaturmessung wird die Suszeptibilität, die Änderung der Magnetisierung bei Änderung der magnetischen Feldstärke, ermittelt. Sie ist abhängig von der Temperatur.

Extreme hohe Temperaturen können Wissenschaftler nicht mit einem Thermometer messen. Sieht man von der extrem heißen Phase der ersten Sekunden nach dem Urknall ab, wird der Hochtemperaturrekord im heutigen Universum von Sternexplosionen, so genannten Supernovae gehalten. Bei einer Supernova, an deren Ende der Stern zu einem Neutronenstern wird, treten Temperaturen von bis zu 500 Milliarden Kelvin auf. Bei diesen Temperaturen platzen die Atomkerne auseinander und Protonen werden in Neutronen umgewandelt. Dabei werden verschiedene Arten von Neutrinos ausgesandt. Art, Anzahl und Energie der Neutrinos, die uns von solch einem Ereignis erreichen, geben Auskunft über die physikalischen Prozesse bei ihrer Erzeugung, die wiederum mit einer bestimmten Temperatur korrespondieren. Die in den letzten drei Jahrhunderten uns am nächsten gelegene Supernova wurde 1987 in der Großen Magellanschen Wolke beobachtet. Die dabei registrierten Neutrinos sind bisher die einzigen, die sicher von einer Supernova stammen.

Die Temperatur von Sternen ist gegenüber einer Supernova vergleichsweise niedrig. Im Inneren unserer Sonne herrschen beispielsweise „nur“ 15 Millionen Kelvin, im Inneren eines so genannten Roten Riesen, zu dem sich auch unsere Sonne in ca. 4,5 Milliarden Jahren entwickeln wird, sind es etwa 200 Millionen Kelvin. Auch im Inneren von Sternen entstehen Neutrinos, deren Messung wiederum Auskunft über die Temperatur gibt.

Die Oberflächentemperatur von Sternen, die bei unserer Sonne z.B. etwa 5777 Kelvin beträgt, lässt sich vergleichsweise leicht über ein Absorptionsspektrum ermitteln. Die Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung in den verschiedenen Frequenzbereichen lässt Aussagen über Temperatur, Dichte und chemische Zusammensetzung des Sterns zu. Die höchste bisher gemessene Oberflächentemperatur eines Sterns liegt bei 250.000 Kelvin.

Die Frage wurde beantwortet von Prof. Paul Seidel, Leiter der Arbeitsgruppe Tieftemperaturphysik an der Universität Jena und Dr. Friedrich Kupka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.