Mündliche Prüfung im Stil von Prof. Linhart: Paradigma-Einstieg → Begriff → konkretes Himmelsobjekt → Ableitung/Argumentationskette → Einheiten & Größenordnung → Größenordnungs-Abschätzung → wissenschaftstheoretischer/philosophischer Haken. 10 Minuten Gespräch entlang des Zettels. Skript: Thema 1 — Skript (DE)

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Zettel 1 — Die vier Beobachtungsmethoden für Exoplaneten

Einstiegssatz: „Aus heutiger Sicht der Astrophysik sehen wir die Planeten fast nie selbst — wir messen, was sie ihrem Stern antun."

1. Erkläre, warum man Exoplaneten fast nur indirekt nachweisen kann. Bring das Grundproblem in einem Satz (Lieblingsbild des Lehrers bereithalten).
2. Konkretes Objekt: 51 Pegasi b (1995, erster Exoplanet um einen sonnenähnlichen Stern). Wie wurde er gefunden? Welche Methode?
3. Ableitung / Rekonstruktion der Kette: Stell die vier Methoden nebeneinander — Transit, Radialgeschwindigkeit (Doppler), Gravitationslinse, direkte Beobachtung. Zu jeder: ① welche physikalische Größe wird gemessen, ② welcher systematische Bias (welche Planeten werden bevorzugt gefunden)?
4. Einheiten & Größenordnung + Rechenbeispiel (Transittiefe): Mit ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }L}{L}}={\displaystyle \frac{r_{\text{Planet}}^2}{r_{\text{Stern}}^2}}$ zwei Fälle:
   • Jupiter vor der Sonne ($r_{\text{Jup}}\approx 7,15\cdot {10}^4$ km, $r_{\odot }\approx 6,96\cdot {10}^5$ km)
   • Erde vor der Sonne ($r_{\oplus }\approx 6371$ km) Nenne die Größenordnung und erkläre, wie das „großer Planet, kleiner Stern → leichter messbar" bestätigt.
5. Zusatz-Größenordnung (Doppler): Jupiter lässt die Sonne mit $v_r\approx 12,5$ m/s wackeln. Schätze mit ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }\lambda }{\lambda }}={\displaystyle \frac{v_r}{c}}$ die Linienverschiebung $\mathrm{\Delta }\lambda$ bei $\lambda =500$ nm. Wie genau muss das Gerät sein?
6. Wissenschaftstheoretischer Haken: Ein Gravitationslinsen-Ereignis ist nicht wiederholbar (die perfekte Ausrichtung Vordergrund–Hintergrund passiert nur einmal). Eine nicht wiederholbare Beobachtung — ist das überhaupt Wissenschaft? (Tipp: statistisch wiederholbar, vorhersagbar.)

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Zettel 2 — Habitable Zone und Biomarker

Einstiegssatz: „Aus heutiger Sicht der Astrophysik ist die habitable Zone nur die Eintrittskarte — nicht der Beweis."

1. Erkläre die habitable Zone. Warum ist sie für flüssiges Wasser nur notwendig, aber nicht hinreichend?
2. Konkretes Objekt: Mars — obwohl (früher) in/nahe der habitablen Zone, warum verlor er flüssiges Wasser? Mach die Weggabelung „Temperatur vs. Druck" klar.
3. Ableitung / Kette: Warum ist konstanter O₂ (und O₃) ein starker Biomarker? Schritt für Schritt: O₂ extrem reaktiv → ohne Nachschub verschwindet er → bleibt er konstant ⇒ etwas liefert ihn ständig nach ⇒ Hinweis auf Photosynthese.
4. Größenordnung / Messschwierigkeit: Transmissionsspektroskopie braucht bei erdähnlichen Planeten ca. 1 : 1 000 000 Genauigkeit. Wie viele Größenordnungen sind das? Warum braucht man dafür das JWST (6,5 m, gekühlt auf ~7 K, Infrarot)?
5. Zusatz-Abschätzung (wo liegt die HZ): Bei gleicher Gleichgewichtstemperatur gilt $d\propto \sqrt{L/L_{\odot }}$. Proxima Centauri: $L\approx \mathrm{0,001}7L_{\odot }$. Schätze die HZ-Distanz in AU und erkläre, warum uns das zum Tidal-Locking führt.
6. Irrtums-/philosophischer Haken (Falsch-Positiv): Beweist O₂ allein Leben? Nenne einen unbelebten Weg zu O₂ und sag, wann ein einzelnes Indiz zum Beweis wird. (Tipp: O₂ + CH₄ gemeinsam stabil.)

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Zettel 3 — Planeten roter Zwerge und Photosynthese

Einstiegssatz: „Aus heutiger Sicht der Astrophysik suchen wir Leben am liebsten dort, wo Sterne fast ewig leben — bei den roten Zwergen."

1. Erkläre die drei Sterntypen (roter Zwerg M / G-Stern / blauer Riese): Temperatur, Lebensdauer, Häufigkeit. Nenne die Kernregel: heißer & massereicher → kurzlebiger.
2. Konkretes Objekt: Proxima Centauri b — welche Themen dieses Kapitels kommen darin zusammen? (Mehrfachsystem, roter Zwerg, habitable Zone, gebundene Rotation)
3. Ableitung / Kette (gebundene Rotation): Warum führt Nähe → gebundene Rotation? Mit Gezeitenkraft $\propto 1/r^3$ + Berg wird durch Rotation versetzt → dauerndes Drehmoment „bremst" → Rotationsdauer = Umlaufdauer; Schritt für Schritt.
4. Größe / Folge: Auf einem gebunden rotierenden Planeten: welcher Temperaturzustand auf Tagseite, Nachtseite, Terminator? Wo ist Leben am ehesten? Welche Voraussetzung (Atmosphäre verteilt Wärme um)?
5. Photosynthese-Argument: Warum wären Pflanzen bei einem roten Zwerg vermutlich schwarz, bei einem blauen Riesen dagegen stark reflektierend? Mach die Logik „Pflanzenfarbe = das, was sie nicht braucht und reflektiert" klar.
6. n=1-Haken: Unser Urteil über „schwarze Pflanzen" und „Leben am Terminator" beruht ganz auf der Chemie irdischen Lebens. Das ist das n=1-Problem — wir kennen nur eine einzige Biologie. Wie verlässlich ist diese Extrapolation? (Ehrliche Grenz-Aussage bereithalten.)

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Nachfragen-Kette (kurze Fragen, Prüferton)

1. Warum nicht einfach ein Foto vom Planeten machen? „Wie hell ist der Stern im Vergleich zum Planeten?"
2. Was ändert sich beim Transit überhaupt? Wird der Planet dunkler?
3. Doppler — kreist streng genommen der Planet um den Stern? „Wer wackelt um wen?"
4. Blau- oder Rotverschiebung — welche steht für „Stern auf uns zu"?
5. Gravitationslinse — warum wird Licht „gebündelt"? Welche Theorie steckt dahinter?
6. „Ist die Gravitationslinse falsch, weil das Ereignis nie wiederkehrt?"
7. Gibt es in der habitablen Zone immer Wasser? Gegenbeispiel?
8. O₂ gesehen → „Leben, ja oder nein?"
9. Warum reicht ein einzelner Biomarker nicht? Welche Kombination ist am stärksten?
10. Rote Zwerge haben heftige UV-Ausbrüche — warum mögen wir sie trotzdem?
11. Auf welchem Streifen versteckt sich Leben bei gebundener Rotation?
12. „Wissen wir wirklich, dass fremdes Leben grün/schwarz wäre? Oder raten wir nur von der Erde aus?" (n=1)

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§§ANTWORTEN

Zettel 1

1. Ein Planet leuchtet nicht selbst und ist neben dem Stern winzig und extrem lichtschwach — „wie ein Glühwürmchen neben einem Scheinwerfer". Daher fast nur indirekt: man misst die Wirkung auf den Stern, nicht den Planeten selbst. → §1.3
2. 51 Pegasi b ist ein „heißer Jupiter", entdeckt per Radialgeschwindigkeits-/Doppler-Methode — massereich und sehr nah, daher starkes Wackeln, großes $\mathrm{\Delta }\lambda$, am leichtesten messbar. → §1.1
3. Vier Methoden mit Bias:
   • Transit: misst periodischen Helligkeitsabfall; Bias → große Planeten + kleine Sterne + Bahn genau von der Seite.
   • Doppler: misst periodische Linienverschiebung (Stern um gemeinsamen Massenmittelpunkt); Bias → schwere Planeten + nahe Bahnen.
   • Gravitationslinse: misst kurze Aufhellung des Hintergrundsterns + Zusatzspitze; reicht bis zu lichtschwachen, fernen Systemen, aber einmalig, nicht wiederholbar.
   • Direkte Beobachtung: misst EM-Strahlung des Planeten selbst; Bias → junge, heiße, weit entfernte Planeten (glühen im Infrarot, räumlich vom Stern trennbar). „Jede Methode hat ihren eigenen blinden Fleck." → §1.3
4. Transittiefe:
   • Jupiter: ${\left({\displaystyle \frac{7,15\cdot {10}^4}{6,96\cdot {10}^5}}\right)}^2=(\mathrm{0,102}7{)}^2=1,06\cdot {10}^{-2}\approx \mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{1}\mathbf{\%}$.
   • Erde: ${\left({\displaystyle \frac{6371}{6,96\cdot {10}^5}}\right)}^2=(9,15\cdot {10}^{-3}{)}^2=8,4\cdot {10}^{-5}\approx \mathbf{84}\mathbf{ppm}$. Großer Planet → Einbruch ~1 %, Erde nur ~ein Zehntausendstel — bestätigt $\mathrm{\Delta }L/L\propto r_{\text{Planet}}^2/r_{\text{Stern}}^2$: großer Planet, kleiner Stern → leichter messbar. → §1.3 a)
5. Doppler: ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }\lambda }{\lambda }}={\displaystyle \frac{12,5}{3,00\cdot {10}^8}}=4,17\cdot {10}^{-8}$. $\mathrm{\Delta }\lambda =500\text{nm}\times 4,17\cdot {10}^{-8}=\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{1}\cdot {\mathbf{10}}^{\mathbf{-}\mathbf{5}}\mathbf{nm}$ (~0,02 pm). Das Gerät muss auf ${10}^{-8}$ genau sein — Spitzen-Spektroskopie. Die Erde lässt die Sonne nur ~0,09 m/s wackeln, nochmal ~zwei Größenordnungen kleiner. → §1.3 b)
6. Haken-Antwort: „Falsch ist die falsche Frage." Das Einzelereignis ist nicht wiederholbar, aber Wissenschaftlichkeit heißt nicht „dasselbe Ereignis wiederholen", sondern statistisch wiederholbar und vorhersagbar: Die Theorie sagt einen bestimmten Anteil solcher Mikrolinsen-Ereignisse voraus, Durchmusterungen beobachten sie statistisch immer wieder und vergleichen mit der Vorhersage. „Es ist wiederholbar als Klasse von Ereignissen, nicht als Einzelfall." → §1.3 c)

Zettel 2

1. Habitable Zone = Abstandsbereich, in dem flüssiges Wasser möglich ist (zu nah verdampft, zu fern gefriert). Nur notwendig, nicht hinreichend, weil flüssiges Wasser auch vom Druck abhängt, nicht nur von der Temperatur. „Die habitable Zone ist die Eintrittskarte, nicht der Beweis." → §1.4
2. Mars hat nur ~1 % Erddruck — zu niedriger Druck → Wasser verdampft/wird photolysiert, Wasserstoff entweicht, Sauerstoff bindet an Eisen (Rost). Selbst bei passender Temperatur hält niedriger Druck kein flüssiges Wasser. Das ist die Gabelung „Temperatur vs. Druck". → §1.4
3. O₂ ist extrem bindungsfreudig → ohne Nachschub verschwindet er rasch → bleibt er lange konstant, muss etwas ihn fortlaufend nachliefern → starker Hinweis auf Photosynthese. „Sauerstoff verschwindet von selbst — bleibt er, muss ihn etwas nachliefern." → §1.5
4. 1 : 1 000 000 = ${10}^{-6}$, also ~6 Größenordnungen. JWST nötig: ①Infrarot (Molekül-„Fingerabdrücke" liegen dort) ②Spiegel 6,5 m (mehr Licht) ③Instrumente auf ~7 K gekühlt (sonst übertönt die eigene Wärmestrahlung das Signal). Transmissionsspektroskopie: beim Transit scheint Sternlicht durch die Atmosphäre, Moleküle schlucken bestimmte Wellenlängen. → §1.3 d)
5. HZ-Abschätzung: $d=\sqrt{L/L_{\odot }}=\sqrt{\mathrm{0,001}7}=4,1\cdot {10}^{-2}\approx \mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{04}\mathbf{AU}$. Das ist ~25-mal näher als die Erde (1 AU)! So nah am Stern → Gezeitenkraft enorm ($\propto 1/r^3$) → fast zwangsläufig gebundene Rotation. Deshalb führt die HZ direkt zum Tidal-Locking. → §1.7
6. Haken-Antwort: Nein. Intensive UV-Strahlung kann H₂O/CO₂ photodissoziieren, der leichte Wasserstoff entweicht → der zurückbleibende Sauerstoff reichert sich zu O₂ an (unbelebtes „Falsch-Positiv"). „Ein einzelner Marker ist ein Verdacht, kein Beweis." Überzeugend ist erst O₂ gemeinsam mit CH₄ dauerhaft stabil — beide reagieren und verbrauchen sich, dürften eigentlich nicht koexistieren; tun sie es doch ⇒ beide werden ständig nachgeliefert ⇒ unbelebt kaum erklärbar. → §1.5 Biomarker

Zettel 3

1. Roter Zwerg M: ~3000 K / 1–10 Billionen J / häufigster; G-Stern (Sonne): ~5300–6000 K / ~10 Mrd. J / mittel; blauer Riese: sehr heiß / nur ~10 Mio. J / seltenster. Regel: „Je heißer und massereicher, desto kurzlebiger." → §1.7
2. Proxima Centauri b umkreist Proxima (roter Zwerg im Dreifachsystem Alpha Centauri, ~4,2 Lj entfernt), liegt in der HZ, vermutlich gebunden rotierend — Mehrfachsystem + roter Zwerg + HZ + gebundene Rotation in einem Objekt. → §1.1
3. Gezeitenkraft = Differenz der Sternanziehung zwischen Nah- und Fernseite → streckt den Planeten zu einem Paar Gezeitenberge; Gezeitenkraft $\propto 1/r^3$ fällt sehr steil ab → je näher, desto gewaltiger. Rotiert der Planet, schleppt die Rotation die Berge aus der Linie → der Sternzug an den versetzten Bergen erzeugt ein dauerndes Drehmoment (Bremse) → bis Rotationsdauer = Umlaufdauer, Berge stabil zum Stern, Drehmoment verschwindet → immer dieselbe Seite zum Stern. So wie der Mond. → §1.7
4. Tagseite ewig Tag (heiß), Nachtseite ewig Nacht (eisig), nur der Terminator (Dämmerungslinie) liegt in ewiger Dämmerung mit gemäßigten Temperaturen — dort am ehesten Leben, gewissermaßen die eigene kleine „habitable Zone". Voraussetzung: eine ausreichend dichte Atmosphäre, die Wärme von der Tag- zur Nachtseite umverteilt. → §1.7
5. Pflanzenfarbe = das Licht, das sie nicht braucht und reflektiert. Roter Zwerg liefert zu wenig Energie → Pflanzen müssten alle Wellenlängen absorbieren → schwarz; blauer Riese liefert Überschuss → Pflanzen müssten viel reflektieren → hell. → §1.8
6. Haken-Antwort: Alle Schlüsse beruhen auf der einzigen Stichprobe Erde ($n=1$) — Chemie, Photosynthese, bewohnbare Temperatur nach irdischem Leben definiert. „Wir kennen nur eine einzige Biologie — die der Erde." Also heuristische Extrapolationen, keine Gesetze; der echte Test ist der direkte Nachweis außerirdischen Lebens oder seiner Biomarker. → §1.6

Nachfragen-Kette (Kurzantworten)

1. Der Stern ist um viele Größenordnungen heller — direktes Sehen ertrinkt im Sternlicht. (§1.3)
2. Nicht der Planet wird dunkler — er verdeckt ein Stück Sternscheibe → Gesamthelligkeit sinkt kurz. (§1.3 a)
3. Beide um den gemeinsamen Massenmittelpunkt; Stern schwer → Punkt nah am Stern → Stern „wackelt". (§1.3 b)
4. Blauverschiebung = auf uns zu (Wellen gestaucht, $\lambda$ kürzer). (§1.3 b)
5. Masse krümmt den Raum, Licht folgt der Krümmung → Lichtablenkung der ART. (§1.3 c)
6. Nicht unwissenschaftlich — als Ereignisklasse statistisch wiederholbar und vorhersagbar, nur der Einzelfall nicht. (§1.3 c)
7. Nein; Mars ist in/nahe der HZ und hat wegen niedrigem Druck kein flüssiges Wasser. (§1.4)
8. „Vielleicht." O₂ allein kann ein Falsch-Positiv sein (Photodissoziation). (§1.5)
9. Jedes Einzelgas kann unbelebt entstehen; stärkste Kombi ist O₂ + CH₄ gemeinsam stabil. (§1.5)
10. Weil sie extrem stabil und langlebig sind → die Evolution hat viel mehr Zeit. (§1.7)
11. Auf dem Terminator — ewige Dämmerung, gemäßigte Temperaturen. (§1.7)
12. Wir wissen es nicht — n=1-Problem, alles von der Erde extrapoliert, heuristisch statt Beweis. (§1.6)