Ausgabe 3/2002
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AVRS WebJournal
Ausgabe 3/2002
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Astronomischer Verein Remscheid e.V. |
Die Astronomie hat in den vergangenen Jahrzehnten eine rasante Entwicklung genommen. Gerade im letzten Jahrzehnt haben wir viele neue, teilweise seit Jahrzehnten postulierte, Objektarten beobachten können. Doch weiterhin bleiben viele Fragen ungeklärt, andere kommen hinzu. Wie die Entwicklung in den nächsten Jahren aussehen kann und was sie prägt soll hier gezeigt werden. Auch die Frage, was der Steuerzahler von der Himmelsguckerei hat, wird diskutiert. Dieser Text basiert auf einem Vortrag gleichlautenden Titels.
Wie Astronomie ist eine ganz besondere Wissenschaft. Sie beschäftigt sich nicht nur mit besonders exotischen Objekten, sondern ist mit Problemen wie keine zweite Wissenschaft konfrontiert. Denn, wie man sich ja leicht vorstellen kann, mit Himmelsobjekten kann man nicht experimentieren, wie es bei fast allen anderen Wissenschaften der Fall ist, sondern man muß sie beobachten.
Klar ist, daß Himmelsobjekte meist nicht der direkten Messung zugänglich sind. Man kann beispielsweise nicht zu einem Nachbarstern der Sonne fliegen und ein Thermometer in den Stern hineinhalten (vernachlässigen wir kurz einmal, daß das Thermometer schmelzen würde), da alle Sterne weit entfernt sind. So ist die Astronomie auf Fernerkundung, insbesondere auf die Analyse Elektromagnetischer Strahlung (sozusagen "Licht"), angewiesen.
Natürlich können wir die Himmelsobjekte auch nicht verändern um Bedingungen herbeizuführen, die wir gern untersuchen würden. Man muß sich in der Astronomie mit den Phänen zufrieden geben, die die Natur uns gerade zufällig zeigt. Ein Vergleich soll die Sachlage veranschaulichen. In Automobil-Firmen kann man Crash-Tests in der Versuchshalle (bei ausreichenden finaziellen Mitteln) beliebig oft wiederholen und aus allen Perspektiven kontrolliert fotografieren. Wäre die Situation für Automobil-Firmen jener der Astronomen vergleichbar, so würde man Forschungsteams an Kreuzungen stellen und auf den nächsten Unfall warten, um diesen zu untersuchen.
So kommt es, daß viele Felder der Astronomie auf Beobachtungen von vielleicht einem Dutzend Objekten basieren, denn mehr zeigt uns die Natur oft nicht. Solch kleine Stichproben führen zwangsläufig zu gewissen Unsicherheiten. (Man stelle sich vor, man wolle die gesamte Menschheit anhand von einigen Menschen untersuchen. Durch Zufall mag unter diesen weder ein grauhaariger, noch ein hellhäutiger Mensch sein.) Auch treten manche Phänomene nur selten auf (man denke an rare Sternexplosionen), was ähnliche Folgen hat. Schließlich machen viele Objekte nicht das, was uns interessiert. (Was nützt dem Crash-Forscher ein vorbeifahrendes Auto?)
Auch die langsame Entwicklung von Himmelsobjekten ist ein Problem. Man kann nicht beobachten wie ein Stern geboren wird, seine "besten Jahre" verbringt und anschließend stirbt, denn dieser Vorgang dauert mindestens einige Millionen Jahre. Man findet also junge Objekte, Objekte mittleren und schließlich hohen Alters und muß diese Beobachtungen schließlich zu einer Sequenz verknüpfen - was nicht so einfach ist, denn zu Begin weiß man ja nicht welches die jungen, mittelalten und alten Objekte sind.
Dafür kann die Astronomie in die Vergangenheit blicken, denn das Licht benötigt ja immer eine gewisse Zeit, um zu uns zu gelangen. Sterne sind Lichtjahre, Galaxien z.T. gar Milliarden Lichtjahre entfernt. So können wir uns ansehen, wie typische Galaxien vor einer Milliarde Jahre aussahen, wenn wir viele Galaxien in einer Milliarde Lichtjahren Entfernung ansehen. Erst das Phänomen der begrenzten Lichtgeschwindigkeit macht das Studium der Vergangenheit des Universums möglich!
Der Begriff "Elektromagnetische Strahlung" klingt abstrakt, aber in Form von "Licht" haben wir täglich mit ihr zu tun. Mit E.M.-Strahlung werden neben dem sichtbaren Licht aber auch andere Wellenlängenbereiche, wie Radio-, Infrarot- und Röntgenstrahlung, mit eingeschlossen. Es zeigt sich nämlich, daß alle Strahlungsarten von den gleichen Teilchen übertragen werden, diese aber - je nach Wellenlängenbereich - mehr oder weniger Energie aufweisen. Man benötigt unterschiedliche Empfänger um bei unterschiedlichen Wellenlängen beobachten zu können.
Leider hindert uns aber die Erdatmosphäre beim Blick in das All. In vielen Wellenlängenbereichen
(z.B. Röntgenstrahlung) erreicht keine Strahlung die Erdoberfläche. Und selbst in den offenen
"Fenstern" stört die Atmosphäre, führt z.B. zu verwaschenen Bildern im sichtbaren
Licht. Das ist der Grund warum man heute viele Teleskope auf hohe Berge stellt oder gar direkt in das All
schießt. Das bekannteste Raumobservatorium ist das
"Hubble Space Telescope",
aber es gibt noch viele weitere Teleskope.
Die Elektromagnetische Strahlung ist der einzige Informationsträger der zur Erforschung des Alls zur Verfügung steht. Nur in sehr seltenen Fällen können wir Proben von Himmelskörpern ziehen (man denke an Planetenmissionen). Deshalb muß die Strahlung so gut wie möglich analysiert werden.
Grundlegend kann ein Astronom nur wissen
(Die Polarisation, eine weitere Strahlungseigenschaft, sei hier vernachlässigt.) Es ist erstaunlich, was die Astronomie aus diesen mehr als spärlichen Informationen gemacht hat. Aus der Wellenlänge der empfangenen Strahlung lassen sich viele Größen, wie Temperatur und chemische Zusammensetzung, messen oder zumindest abschätzen. Um gute Ergebnisse erzielen zu können muß man Himmelsobjekte immer bei mehreren Wellenlängen beobachten. (Man denke zum Vergleich an ein Orkester-Konzert; nur wenn alle Teile zusammenspielen ergibt sich das Gesamtbild.) Dies ist erst seit dem vergangegen Jahrzehnt so möglich.
Nur am Rande sei erwähnt, daß gerade heute mit neuen Technologien das Beobachten im sichtbaren Licht revolutioniert wird. Raffinierte Apperate gleichen das Flimmern der Erdatmosphäre aus und erlauben scharfe Bilder. Durch zusammenschalten mehrerer Teleskope wird man bald gar Oberflächenstrukturen bei nahen Sternen beobachten (heute sind Sterne selbst im größten Teleskope nur Lichtpunkte).
Werfen wir einen kurzen Blick auf das letzte Jahrzehnt, um einen Eindruck davon zu bekommen, was für fundamentale Entdeckungen noch nach einem Jahrhundert Astronomie möglich sind. Im Sonnensystem besuchten wir die großen Planeten. Es gelangen aber auch erstmals Flüge zu Asteroiden, Gesteinsbrocken im All, was ein ganz neues Fachgebiel eröffnet. Erstaunlich sind die Ergebnisse automatischer Asteroiden-Suchprogramme die mit Computerhilfe in den letzten drei Jahren dreimal soviele Asteroiden entdeckten, wie in den 200 Jahren davor.
Die Galaktische Astronomie (forscht innerhalb unserer Galaxie) fand 1995 den ersten der lang gesuchten extrasolaren Planeten, also Planeten die andere Sterne umkreisen - vielleicht die Entdeckung des Jahrzehnts. Erstmals konnten, oft tief in Staubwolken eingebettet, entstehende Sterne gesehen werden. Für tausende Sterne konnte ihre Entfernung zu uns gemessen, und nicht wie üblich geschäzt, werden. Schließlich erlauben Computer Himmelsaufnahmen in einem Mosaik zu einem Bild der gesamten Galaxis zusammenzusetzen, was das Studium ganz großer Strukturen erlaubt.
Die Extragalaktische Astronomie (forscht außerhalb unserer Galaxie) beobachtete kleine Objekte, die wir zuvor nur in unserer Galaxie studieren konnten, erstmals in anderen Galaxien, was den Blick ungemein weitet. Neue Galaxientypen und die bekannten Gattungen wurden ausgiebig untersucht, insbesondere kollidierende Galaxien erregten Interesse. Auch aktive Galaxien, aus denen in "Jets" Gas mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt, wofür man supermassive Schwarze Löcher verantwortlich macht, konnten endlich in ausreichendem Detail untersucht werden.
Für die wesentlichen Knüller aber sorgte wohl die Kosmologie (erforscht den Kosmos im Ganzen). Erstmals konnten in großen Distanzen (also im jungen Universum) Galaxien aufgenommen werden, die oft anders aussehen als heutige Galaxien. Daneben häuften sich die Hinweise für eine "Dunkle Materie" und erstmals fand man Indizien für eine "Dunkle Energie". Beides hat enorme (nicht zuletzt philosophische) Auswirkungen auf unser Verständnis der uns umgebenden Welt. Wichtig für die Untersuchung beider Phänomene waren Fortschritte in der Meßtechnik zur Beobachtung der Kosmischen Mikrowellen Hintergrundstrahlung und - hier kommen wir wieder zu den Computern - die Möglichkleit automatisch große Himmelsgebiete nach Galaxien zu durchsuchen..
Hier will ich einige Themengebiete herausgreifen in denen im nächsten Jahrzehnt ein bedeutender Vortschritt zu erwarten ist und die allgemein wichtig für die Astronomie sind. Diese Gebiete sind nach meiner Ansicht
Nicht behandeln möchte ich die folgenden Punkte:
Die vielen exotischen Objekte der Astronomie, allen voran die "Schwarzen Löcher" (deren Existenz noch lange nicht bewiesen ist), haben in der Astronomie ein viel geringeres Gewicht als dies die populäre Literatur glauben macht.
Ein Blick in das All zeigt, daß es im wesentlichen drei Komponenten von Gas gibt. Beginnen wir mit der dichtesten. Sie tritt in Form von Dunkelwolken in Erscheinung, wie von Licht nicht durchdrungen werden. Das Gas ist hier um 10 Kelvin (also 10° über dem absoluten Nullpunkt) "warm". Wird es von heißen Sternen beschienen, so erhizt es sich auf etwa 10000° C und tritt als rot leuchtende HII-Region (sprich "H-2-Region") mittlerer Gasdichte in Erscheinung; dies ist die zweite Komponente. Den Raum zwischen den Dunkelwolken und HII-Regionen füll schließlich ein extrem dünnes und heißes Gas (bis zu Millionen Grad) aus. Kein Ort in der Galaxis ist gänzlich frei von Gas.
Die Frage, an deren Beantwortung wir uns erst heute heranwagen können, ist nun, wie diese Gaskomponenten zusammenhängen: Wie bilden sich die kompakten, dichten Dunkelwolken aus dem diffus verteilten Gas? Da sich in diesen Dunkelwolken dann auch Sterne bilden fragen wir also auch, wie es dazu kommt, daß in Galaxien Sterne entstehen. Der gesamte Vorgang stellt einen Kreislauf-Prozess dar, denn wir wissen heute, das die jungen Sterne jene Dunkelwolken aus denen sie entstehen durch aufheizen zerstören, in die extrem heiße Gaskomponente transformieren und aus dieser dann wieder die Dunlelwolken kondensieren.
Aber nicht nur das Wechselspiel zwischen heißem und kaltem Gas ist schwer in den Griff zu bekommen. Wir kennen auch die Vorgänge, die in den Dunkelwolken Sterne entstehen lassen, nicht im Detail. Sie ziehen sich durch ihre eigene Anziehungskraft (jene Kraft, welche Sie, lieber Leser, beim lesen auf dem Stuhl hält) zusammen, jedoch gibt es auch Kräfte die gegen dieses Zusammenziehen wirken. So stützen die Temperatur des Gases (man denke an überkochende Töpfe), allgemeine Turbulenz (das Gas wird sozusagen umgerührt) und Magnetfelder die Objekte gegen ein Zusammenfallen. In welchem relativen Anteil ist aber ungewiss.
Bei den Antworten helfen Computer die es erlauben nicht mehr, wie in der Vergangenheit üblich, einfache Modelle zu berechnen, sondern den Schritt hin zu komplizierteren, realistischeren Simulationen zu machen. Insbesondere Magnetfelder, die nur schwer zu berechnen sind, können endlich detailliert modelliert werden.
Das Gebiet der Entwicklung des Interstellaren Mediums und der Sternentstehung ist von großer Bedeutung für das Gebiet der Galaxienentwicklung, denn aus dem Gas entstehen die Sterne, die das Aussehen einer Galaxie bestimmen.
Bereits seit langer Zeit weiß man, daß es diverse Galaxientypen gibt. Da sind grob gesehen kleinere Galaxien wirren Aussehens, die man Irreguläre Galaxien nennt, mittelgroße Galaxien die ein Spiralmuster zeigen, die man Spiralgalaxien nennt, und riesige ball- oder eiförmige Galaxien, die man Eliptische Galaxien nennt. Seit Jahrzehnten fragt man sich, ob die großen Galaxien durch Kollision und Verschmelzen kleinerer Galaxien entstehen. Erst heute können wir auf eine Antwort hoffen.
Zunächst fragt man sich natürlich, was der Blick in die Vergangenheit, also zu Galaxien in großer Entfernung (Erinnern Sie sich? Das Licht benötigt teilweise Milliarden Jahre um zu uns zu gelangen!) zeigt. Es zeigt sich, daß Galaxien in der Vergangenheit anders aussahen, es beispielsweise mehr irreguläre Galaxien gab als heute und früher es sehr helle Galaxien gab, die heute verschwunden sind.
Ein Erklärungsansatz kann das Verschmelzen von Galaxien nach Kollisionen sein. So verschwanden im Verlaufe der Zeit die kleineren Objekte und es blieben große Galaxien zurück. Die heute verschwundenen hellen Galaxien könnten die gerade verschmeldenden Galaxien sein, in denen man duch die Kollisionen starke Sternentstehung mit vielen hellen Sternen erwartet. Um dies geeignet simulieren zu können muß man aber vor allem das Gas und die Sternentstehung in den Galaxien beschreiben können - wir sind also wieder beim vorangehenden Thema.
Der andere Ansatz ist, daß die Galaxien so wie wir sie heute sehen, im wesentlichen in einem Stück entstanden sind. Dies wird durch Beobachtung gigantischer Gasmassen im Radiobereich nahegelegt in denen offenbar massenhaft Sterne entstehen, die aber im sichtbaren Licht unsichtbar sind, also kaum aus verschmelzenden Galaxien bestehen werden.
Es gibt also zwei konkurrierende Konzepte. Durch geeignete Radioteleskope wurden erst in den letzten Jahren diese im sichbaren Licht unsichtbaren Sternentstehungsregionen gefunden. Es bestehen gute Chancen durch Computersimulationen und neue Teleskope den Streit zu entscheiden.
Seit den 1930'er Jahren wissen wir, daß sich das Universum ausdehnt. Es ist vermutlich im Urknall entstanden und fliegt seidem auseinander. Die Kosmologie fragt nun zunächst, wie die Ausdehnungsrate in der Vergangenheit und Zukunft aussieht. Dies ist durch die Masse im Universum, welche die Ausdehnung aufgrund von Anziehungskraft (Gravitation) bremst, und mögliche Energiequellen, welche die Ausdehnung durch "Aufblasen" beschleunigen können, bestimmt.
Ohne in aller Tiefe auf die Nachweißprinzipien nachzugehen möchte ich kurz die Ergebnisse zusammenfassen. Zunächst zur Dunklen Materie. Mißt man wie schnell eine Spiralgalaxie rotiert so kann man daraus die Masse in der Galaxie ableiten, da die rotationsbedingten Zentrifugalkräfte durch die gravitativen Anziehungskräfte, bestimmt durch die Masse, kompensiert werden müssen. Dies zeigte seit den 1980'er Jahren, daß die in Sternen und Gas sichtbare Masse nicht ausreicht um die Fliehkräfte zu kompensieren. Interessanter ist aber der Blick auf das Universum im Ganzen, der durch andere Methoden möglich ist.
Ganz verblüffend war die Entdeckung einer "Dunklen Energie" im Jahre 1997. Dazu hatte man ferne Sternexplosionen (Supernovae), deren Entfernung zu uns gut zu schätzen ist, beobachtet und gemessen, wie schnell diese (durch die kosmische Expansion) von uns fortfliegen. Diese Fluchtgeschwindigkeit ist einerseits durch die gesammte Materie (normal + dunkel) in Universum (welche die Expansion bremst) bestimmt, andererseits durch die Dunkle Energie (welche die Expansion beschleunigt).
Um 1998 begannen neue Teleskope mit der detaillierten Untersuchung der Kosmischen Mikrowellen Hintergrundstrahlung, welche als "Nachleuchten" des Urknalls angesehen wird. Sie liefert Bilder von Gasverklumpungen im frühen Universum, deren Größe ebenfalls durch das Zusammenspiel von Materie und Dunkler Energie bestimmt ist.
Führt man die Resultate aus Beobachtungen von Supernovae und der Hintergrundstrahlung zusammen, so kann man die "Stärken" von Dunkler Materie (bzw. deren Häufigkeit; normal + dunkel) und Dunkler Energie festlegen. Dies ist das gegenwärtig wohl genaueste Verfahren um die Stärken zu messen. Man muß weitere Messungen verwenden um die Häufigkeiten von normaler und exotischer, dunkler Materie zu trennen.
Letztendlich ergibt sich das folgende Bild. Die Masse im Universum besteht zu 90% aus exotischer Dunkler Materie! Nur 10% der Materie sind "normal" und hiervon sehen wir ebenfalls nur ein Zehntel; es gibt also auch viel "normale" Dunkle Materie. Daneben spielt die Dunkle Energie - bis etwa 1997 weitestgehend in der Forschung ignoriert - eine zentrale Rolle in der Entwicklung des Kosmos. Ihr kann heute nur ein Name gegeben werden; ihre physikalische Ursache liegt im Dunkel. Diese Ergebnisse sollten nur als vorläufig betrachtet werden. Die Messungen auf denen obiges Resumme basiert sind schwierig und die zu messenden Signale sehr klein.
Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Untersuchung der kleinsten Bausteine der Materie im Labor. Das Hauptergebnis der letzten Jahrzehnte ist das "Standardmodell", mit dem alle Reaktionen zwischen Teilchen beschrieben werden können. Leider sind viele Annahmen nötig um dieses Modell rechtfertigen zu können. Gern würde man mit weniger Annahmen auskommen und damit weitere Zusammenhänge zwischen physikalischen Phänomenen verstehen. Dies hat letztendlich (auf Zeitskalen von Jahrzehnten) schließlich auch technische Anwendungen.
Das heutige Problem ist, daß das Standardmodell alle bisher durchgeführten Experimente erklärt. Somit kann es nicht korrigiert und erweitert werden. Also benötigt man nicht erklärbare Phänomene. Hier kann die Astronomie helfen.
Phänomene wie exotische Dunkle Materie, die auf bisher unbekannte Teilchen zurückzuführen sein kann, Dunkle Energie, die heute garnicht einzuordnen ist, und exotische Himmelsobjekte, wie gewisse Neutronensterne, die vielleicht durch eine unbekannte Kraft gegen den Kollaps gestüzt werden, und Weiße Zwerge, die offenbar nicht aus Gas sondern festem Material bestehen, lassen sich z.T. schwer mit dem Standardmodell vereinbaren. Und dann ist da noch die Gravitation, die als einzige fundamentale Wechselwirkung nicht im Standardmodell enthalten ist und (aufgrund ihrer Schwäche) schlecht im Labor, aber gut im Kosmos zu untersuchen ist.
Zusammenfassend sind somit in Teilen Labor- und Astrophysik gegenwärtig stark verknüpft.
Es gibt diverse Gründe Astronomie zu betreiben. Zunächst findet man in allen Wissenschaften, daß Wissenschaftler während ihrer Forschungsarbeit Technologien entwickeln, die auch außerhalb der Wissenschaft anwendbar sind. Ein Paradebeispiel ist das Internet, denn das Konzept mit Browsern im WWW zu navigieren wurde von Physikern am Teilchenbeschleuniger CERN entwickelt um Kommunikationsprobleme auf dem riesigen Areal zu lösen. Oft sind auch astronomische Software und Instrumente Ausgangspunkt für kommerzielle Produkte.
Wie oben angeführt ist das Weltall weiterhin das größte nutzbare Labor und allein schon deshalb bedeutend für den Fortschritt in den Wissenschaften allgemein. Allerdings lassen Anwendungen teilweise lange auf sich warten. Es sei aber vermerkt, daß Ihr Computer z.T. deshalb entwickelt werden konnte, weil Astronomen zur Analyse von Licht stark auf die Quantenphysik angewiesen waren und diese für die Computerentwicklung so wichtige Wissenschaft dadurch forantrieben.
Dann gibt es den Komplex der Gefahrenabwehr. So können Einschläge von Kleinplaneten zumindest vorhergesagt werden. Dies gestattet (heute) sich vor dem Impakt entsprechend Sorgen zu machen. In Zukunft ist vielleicht auch eine Abwehr möglich.
Astronomen wandern zu großen Teilen notgedrungen nach dem Studium in die Wirtschaft ab. Allerdings wählen nur wenige Studenten das Fach Physik um in die Wirtschaft zu gehen. So profitiert die Wirtschaft von der Astronomie durch Anwerben von Studenten für den Studiengang Physik.
Schließlich ist die Astronomie mit die faszinierendste Naturwissenschaft. Sie kann das Interesse für die Naturwissenschaften im Allgemeinen wecken. Gerade dies scheint im Zeitalter der PISA-Studien in Deutschland dringend angebracht. Zu bemängeln ist dabei sicherlich das mangelnde Interesse der Berufsastronomen an der Kommunikation mit der Öffentlichkeit.
So gibt es also naheliegende technische Gründe für die Astronomie, aber auch wesentliche aus dem gesellschaftlich-philosophischen Bereich.
Wir haben einen weiten Bogen gespannt. Dies ist leider bei einem epischen Thema wie dem hier diskutierten unvermeidbar. Hier sollen noch einmal die wesentlichen Punkte zusammengefaßt werden.
Zunächst offenbarte sich die Astronomie als eine besondere Wissenschaft, geprägt durch die Unmöglichkeit von Experimenten im klassischen Sinne, beschränkt auf die von der Natur zufällig gerade dargebotenen Phänomene und angewiesen auf Elektromagnetische Strahlung als meist einzigen Informationsträger, dafür ausgestattet mit der Möglichkeit in die Vergangenheit zu blicken.
Die Elektromagnetische Strahlung erwies sich als problematischer Informationsträger. Zunächst wird sie durch die Erdatmosphäre beeinflußt, so daß bei manchen Wellenlängen alle Strahlung von der Atmosphäre verschluckt wird, bei anderen das Flimmern der Atmosphäre zu unscharfen Bildern führt. Somit sind oft Observatorien auf hohen Bergen und im All notwendig. Aus der Strahlung kann man - oft nur näherungsweise - Größen wie Temperatur und chemische Zusammensetzung ablesen. Eine Revolution steht in der Schärfe von Bildern im sichtbaren Licht unmittelbar bevor. Erst in der heutigen Zeit ist der gesamte Wellenlängenbereich vollständig abgedeckt.
Ein erster Blick auf Forschungsschwerpunkte des vergangenen Jahrzehnts zeigte, daß noch heute fundamentale Entdeckungen möglich sind. Oft waren dabei Computer nötig, da sie rasch gigantische Informationsberge durchsuchen können. Schaut man genauer hin, so ist zu erwarten daß in den Gebieten "Interstellares Gas und Sternentstehung" sowie "Galaxienentstehung & Entwicklung" und "Entwicklung des Universums. Dunkle Materie & Energie." wesentliche Entdeckungen zu erwarten sind. Bemerkenswert ist der urplözliche Bedeutungsgewin der Dunklen Energie nach dem Jahr 1997 - dies zeigt an wie rasch in der Astronomie Paradigmenwechsel stattfinden können.
Die Astronomie hat aus vielen Gründen ihre Existenzberechtigung. Einerseits dient sie wirtschaftlich-technischen Zwecken, aber sie ist auch aus geselschaftlich-philosophischen Gründen notwendig.
v.i.S.d.P.: Jens Kauffmann, webjournal@tiscali.de