Astronomy
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Wenn man den Himmel in einer klaren, mondlosen Nacht betrachtet, kann man mit dem bloßen Auge etwa zweitausend Sterne sehen. Fast alle diese Sterne waren schon für Hipparch sichtbar, den alten griechischen Astronomen, der im zweiten Jahrhundert v. Chr. lebte. Hipparch war der erste, der eine systematische Karte des Himmels anfertigte, den ersten Sternkatalog, und dem die Entdeckung zugeschrieben wird, dass die Tag-und-Nacht-Gleichen präzedieren. Hipparch, der seine Daten zusammen mit denen der alten Babylonier verwendete, entdeckte, dass alle Sterne gegnüber dem Vorjahr leicht verschoben erscheinen, wenn man ihre Positionen am Himmel an jedem ersten Frühlingstag des Jahres misst. Daraus errechnete er die wahre Jahreslänge auf 7 Minuten genau. Heute wissen wir, dass Hipparchs große Entdeckung daher kommt, dass die Erdachse leicht schwankt. Hipparch verstand aber nicht, dass nicht die Sterne sich bewegt hatten, sondern dass die Neigung der Erdachse gegenüber den scheinbar `festen' Sternen im Lauf des Jahres ihre Richtung leicht verändert hatte. Hipparch hätte eine solche grundlegende Entdeckung nicht machen können, wenn er nicht vorher seinen Katalog konstruiert hätte.


Tycho Brahes Observatorium

Von dieser Bewegung der `Fixsterne' abgesehen, die nur etwa ein Grad in siebzig Jahren ausmacht, waren die Astronomen der fernen Vergangenheit vor allem an den Bewegungen der Planeten oder `Wandersterne' interessiert. Durch fortgesetzte Beobachtung und Analyse während der nächsten 1700 Jahre war es den Astronomen möglich, ihre Vorhersagen der Planetenbewegungen allmählich zu verbessern. Aber erst in der Zeit von Tycho Brahe im 16. Jahrhundert konnte die nächste große systematische Sammlung von Beobachtungsdaten eine Genauigkeit erreichen, um als Grundlage für den Beginn der modernen wissenschaftlichen Astronomie zu dienen. Tycho Brahe und seine Assistenten stellten während mehrerer Jahrzehnte genaue, systematische Beobachtungen der Planetenbewegungen an, wobei sie mit dem bloßen Auge durch Instrumente beobachteten, die im wesentlichen Sextanten waren. Aus dieser hervorragenden Datenmenge konnte Johannes Kepler ableiten, dass die Planeten sich in Wirklichkeit auf elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen. Kepler verabschiedete endgültig die Vorstellung, dass die Erde das Zentrum des Sonnensystems sei. Keplers Arbeit stellt einen der krönenden intellektuellen Höhepunkte der Wissenschaft dar.

Zwischen Keplers Zeit und den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts bestand das Universum für die meisten Astronomen vor allem aus den Sternen in unserer Milchstraße und einer Handvoll mysteriöser, nebliger Objekte, die man nicht verstand. Die meisten Astronomen glaubten, dass diese Objekte zwischen den Sternen verstreut wären. Man erkannte später, dass die meisten dieser Objekte in Wirklichkeit eigene Galaxien waren, die Hunderte Lichtjahre von der Erde entfernt waren. Frühe Fernrohre waren nicht in der Lage, die einzelnen Sterne dieser entfernten Galaxien zu erkennen, und so erschienen sie nur als kleine nebelförmige Flecken am Himmel.

Mit dem Bau des 100-Zoll-Teleskops auf dem Mount Wilson in Kalifornien vor weniger als achtzig Jahren wurde ein gänzlich neues Porträt unserer Stellung im Universum enthüllt. Indem sie dieses damals riesenhafte Fernrohr benutzten, entdeckten die Astronomen, dass unsere eigene Galaxie nur eine von vielen hundert Milliarden war, die im beobachtbaren Universum enthalten sind. Eng auf den Fersen dieser Entdeckung folgte weniger als ein Jahrzehnt später ein großer Sprung in unserem Verständnis des Universums, als erkannt wurde, dass das Universum nicht nur aus zahllosen anderen Galaxien besteht, sondern dass es sich auch im Lauf der Zeit ausdehnt und entwickelt.


In vieler Hinsicht ist unsere Milchstraße dieser Galaxie ähnlich. (SDSS).

Vom Glauben daran, dass die Erde im Mittelpunkt des Universums stehe, über die Vorstellung, dass das gesamte Universum sich um die Sonne drehe, bis zur Erkenntnis, dass unsere Sonne nur einer von Hunderten von Milliarden Sternen ist, aus denen unsere Milchstraße besteht, hat das menschliche Wissen eine weite Strecke zurück gelegt. Und ebenso wie die großen Entdecker der Renaissance strebten die Astronomen an der Wende des letzten Jahrhunderts weiter als jemals zuvor in das Universum hinaus und entdeckten, dass das Universum ein viel größeres Gebilde ist als man sich vorher hatte vorstellen können. Aber obwohl sich die frühen Entdecker vorgestellt hatten, dass die Enden der Erde von Drachen und fantastischen Ungeheuern bewohnt würden und stattdessen neue Kontinente, Meere und Völker fanden, enthüllten die Astronomen auf ihrer Reise in den Kosmos zahllose Objekte und Phänomene, die sich beinahe der Beschreibung verweigern. Sie entdeckten Schwarze Löcher, die in den Zentren von Galaxien lauern, Neutronensterne, deren Dichte so hoch wie die eines Berges ist, der auf die Größe eines Zuckerwürfels komprimiert wird, zusammen stoßende Galaxien, explodierende Sterne und Quasare - riesige Leuchttürme mit der Leistung von über 1000 Milchstraßen, deren Licht uns heute erreicht, nachdem es das Universum zehn Milliarden Jahre lang durchquert hat, ein Funken von der Geburt der Galaxien.

Und ebenso, wie den frühen europäischen Entdeckern bald die Botaniker, Geografen, Geologen und Naturkundler folgten, die gründlich und systematisch die `Neue Welt' erkundeten, folgen heute die Astronomen den Spuren der astronomischen Entdecker des letzten Jahrhunderts und widmen sich ihrer eigenen gründlichen und systematischen Erforschung des Himmels.

Bis vor etwa zehn Jahren waren die Astronomen durch die exsitierende Technologie notwendiger Weise darauf beschränkt, sich auf eine relativ kleine Anzahl von Objekten zu konzentrieren. Viele dieser Objekte wurden ausgewählt, weil sie ungewöhnlich erschienen. Auf diese Weise versuchten die Astronomen, die größte Vielfalt himmlischer Phänomene zu beobachten und zu kategorisieren, um die Grenzen dessen zu entdecken und einzuschränken, was `dort draußen' liegt. Sie legten auch die Grundlagen um zu bestimmen, welche Beobachtungen und Daten nötig wären, um Präzisionsmessungen der Eigenschaften des Universums auf sehr großen Skalen durchzuführen. Astronomen entdeckten, dass es sehr schwierig ist, Messungen durchzuführen, die man für einfach gehalten hatte. Sie fanden, dass es besonders schwierig war, die Ausdehnungsrate des Universums (die Hubble-Konstante) zu bestimmen, die Dichte des Universums und seine Krümmung, wie Galaxien verteilt sind, und was den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Die Gründe für diese Schwierigkeiten wurden bald erkennbar, als Astronomen verstanden, dass sie zwar die Ozeane der Welt untersuchten, aber nur etwas sahen, was einem kleinen Ausschnitt des Nordatlantiks entsprach.

Für ein wirkliches Verständnis der Eigenschaften des Universums wäre eine große, systematische Durchmusterung eines großen Teils des Himmels nötig. Diese Durchmusterung würde in der Lage sein müssen, das Universum bis in eine Tiefe von wenigstens einigen Milliarden Lichtjahren zu beobachten, um eine faire Stichprobe des Universums zu erhalten und gleichzeitig zu messen, wie sich das Universum mit der Zeit entwickelt. Wenn ein astronomisches Objekt in großer Entfernung beobachtet wird, sieht man es auch zu einer früheren Zeit, weil das Licht, das von dem Objekt empfangen wird, vor langer Zeit ausgesandt wurde. Glücklicher Weise entwickelte sich die astronomische Technologie in den 1990er Jahren weit genug, so dass die Astronomen eine solche Durchmusterung unternehmen konnten. Dieser Traum wird nun mit dem Sloan Digital Sky Survey verwirklicht.

Den Himmel zu kartieren - was bedeutet das?

Was bedeutet es für einen Astronomen, den Himmel oder das Universum zu kartieren? Für den Sloan Digital Sky Survey bedeutet das, dass die Astronomen die Positionen und die Eigenschaften von allen 100 Millionen Himmelsobjekten messen werden, die sie mit ihren Teleskopen in einem Viertel des Himmels angemessen beobachten können. Um das zu tun, müssen die Astronomen zunächst durch ein Teleskop eine Belichtung oder ein Bild des Himmels über dieses gesamte Gebiet hinweg aufnehmen. Mit diesem ersten Satz von Beobachtungen können fast alle dieser Objekte in gut bekannte Klassen astronomischer Objekte eingeordnet werden, wie etwa Sterne, Galaxien und Quasare. Die Durchmusterung bestimmt auch ihre Positionen mit hoher Genauigkeit. Obwohl das in dem Sinne bereits eine Karte des Himmels ist, als man weiß, wo man am Himmel suchen muss um irgend eines dieser Objekte zu finden, sind die Astronomen auch daran interessiert, die Entfernungen dieser Objekte zu messen, um ein vollständiges dreidimensionales Bild dessen zu bekommen, was `dort draußen' ist.

Das ist vor allem für Kosmologen interessant, also für die, die den Ursprung und die Struktur des Universums untersuchen und dafür die Entfernungen zu den mehr als eine Million Galaxien brauchen, die die Durchmusterung finden wird, um die Eigenschaften des Universums auf seinen größten Skalen zu verstehen. Um das zu erreichen, müssen die Astronomen jede entdeckte Galaxie noch einmal beobachten, aber diesmal, indem sie das Licht mit einem Instrument namens Spektrograf untersuchen. Ein Spektrograf zerlegt das Licht der Galaxie in seine Wellenlängen, ganz ähnlich wie ein Prisma weißes Licht in seine farbigen Bestandteile zerlegt. Nachdem das Universum sich ausdehnt, wurde die Wellenlänge des Lichts der Galaxie gedehnt, während es sich durch das expandierende Universum ausbreitete. Diese Dehnung nennt man Rotverschiebung des Lichts. Indem sie die Rotverschiebung des Lichts jeder Galaxie messen, können die Astronomen die Entfernung zur Galaxie feststellen und eine vollständige, dreidimensionale Karte der Positionen dieser mehr als einen Million Galaxien herstellen. Die moderne Technologie des Sloan Digital Sky Survey kann die Entfernungen zu etwa 600 Galaxien un weniger als einer Stunde messen. In fünf Jahren wirde die Durchmusterung die Entfernungen zu über einer Million Galaxien messen.

Ein Spektrum einer Galaxie zeigt seine Linien und die Rotverschiebung (SDSS).

Das expandierende Universum

Für alte griechische Astronomen und Philosophen war das Universum die Verkörperung des Vollkommenen. Die Erde ruhte im Zentrum einer Anordnung von ineinander gestellten Kugelschalen, die die Sonne, den Mond und die Planeten trugen. Der Rest des Universums, oder die Fixsterne, waren an der äußersten Kugelschale, und die Sterne waren Lichtpunkte, die durch Löcher in dieser äußersten Schale schienen. Alle Sphären rotierten und erzeugten so die Bewegungen aller Himmelskörper. Der Himmel war wahrhaft himmlisch - erhaben, statisch, dauerhaft, und geometrisch vollkommen.

Bis in Galileis Zeit und bis zur Erfindung des Fernrohrs im 16. Jahrhundert glaubten die Menschen, dass der Himmel nicht aus Erde, Luft, Feuer und Wasser gemacht sei, sondern aus einer fünften Substanz, genannt Quintessenz. Als Galilei und andere die Berge auf dem Mond und die Monde des Jupiter sahen, begannen sie einen Zusammenhang zu sehen zwischen dem Himmel und der Erde, dergestalt, dass vielleicht das `Material' des Himmels nicht von dem verschieden war, aus dem die Erde besteht. Dann, im frühen 17. Jahrhundert, nachdem Isaac Newton bewiesen hatte, dass die Bewegung des Mondes um die Erde und der Fall eines Apfels beide durch seine Theorie der Gravitation beschrieben werden konnten, entstand eine enge Beziehung zwischen Himmel und Erde, die als Teile einer größeren, physikalischen Welt gesehen wurden.

Isaac Newton jedoch, als der tiefe Denker der er war, geriet in Schwierigkeiten, als er seine Theorie der Gravitation auf das gesamte Universum anwenden wollte. Eines der ersten Probleme, das er fand, war, dass wenn das Universum unendlich ausgedehnt wäre, eine unendliche Summe nötig wäre, um die Gravitationskräfte aller Materie im Universum aufzuaddieren. Dies schien gewissermaßen abschreckend und mathematisch undurchführbar. Darüber hinausgehend und noch wichtiger war, dass er fand, dass die Sterne am Himmel (der für ihn das gesamte Universum war) nicht gleichmäßig verteilt waren. Da die Gravitationskraft immer anziehend wirkt, sollte daraus folgen, dass sich alle Materie im Universum schließlich in einer großen Kugel zusammenballen sollte. Um dieses Problem zu umgehen, nahm Newton an, dass der Schöpfer die Sterne so gesetzt habe, dass sie in `immensen Entfernungen zu einander' standen, denn `sonst würden die Fixsterne Kraft ihrer Anziehung aufeinander fallen'. Das war natürlich keine besonders befriedigende Antwort, auch für Newton nicht, und die Frage, warum das Universum nicht in sich selbst zusammengestürzt war, blieb bis zur Zeit Albert Einsteins und seiner allgemein-relativistischen Gravitationstheorie bestehen, die 1916 veröffentlicht wurde.


Albert Einsteins Relativitätstheorie ist die Grundlage unseres kosmologischen Modells von Raum und Zeit.

Als Einstein an seiner Theorie der Gravitation arbeitete, wurde er von diesem Problem ebenso geplagt wie Newton, denn in der einfachsten Lösung seiner Theorie fand er, dass sein Universum ebenso kollabieren sollte. Einstein fand jedoch, dass die Lösung offenbar zu einem statischen Universum wurde, wenn er einen konstanten Term zu seinen Gleichungen addierte. Einfach ausgedrückt, würde diese Konstante der Gravitation auf sehr großen, also kosmologisch großen Skalen entgegen wirken und sie anscheinend aufheben. Zu Einsteins Unglück wurde kurz darauf gezeigt, dass ein Kollaps des Universums immer noch unvermeidbar war, weil die Materie im Universum (bei der es sich nebenbei immer noch um die Fixsterne handelte) ungleichmäßig verteilt is, wie schon Newton erkannt hatte.

Nachdem dieser Fehler erkannt worden war, dauerte es nur ein paar Jahre, bis andere Lösungen der Einsteinschen Theorie der Gravitation gefunden wurden, deren Konsequenz nicht ein statisches, sondern ein expandierendes Universum war. Diese Lösungen sagten auch vorher, dass das Licht entfernter Objekte eine Rotverschiebung seiner Wellenlänge aufweisen sollte und dass diese Verschiebung etwa proportional zur Entfernung der Galaxie sein sollte. Dann machte 1924 Edwin Hubble von den Carnegie-Observatorien in Pasadena (Kalifornien) eine Reihe von Beobachtungen, die zeigten, dass das Licht entfernter Galaxien mit in einem Maß rotverschoben war, das mit der Entfernung zunahm, wodurch diese Lösungen bestätigt wurden - dieses Verhältnis zwischen Ausdehnungsgeschwindigkeit und Entfernung heißt Hubble-Konstante. Damit hatte ein Verständnis des Universums eingesetzt, und die Probleme im Zusammenhang mit der Hypothese des statischen Universums landeten im Mülleimer der Geschichte. Astronomen beeilten sich, die grundlegende Messung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums durchzuführen.

Die Natur jedoch gibt ihre Geheimnisse nicht leicht preis, und es gelang erst in den letzten paar Jahren auf Grund der Pionierarbeit von Alan Sandage und durch den Betrieb des Hubble-Weltraumteleskops, dass unter den Kosmologen Einverständnis dahingehend erzielt wurde, wie groß ein zuverlässiger Wert der Expansionsrate ist, die die Hubble-Konstante genannt wird.