Wenn man in einer klaren Nacht den Himmel betrachtet, kann man ungefähr zwei tausend Sterne sehen. Im 2. Jahrhundert v. Chr. blickte Hipparchus, ein alter griechischer Astronom, in denselben Himmel und sah dieselben Sterne. Hipparchus verbrachte viele Jahre damit die Sterne zu beobachten, und wurde einer der ersten, die eine Karte des Himmels anfertigten. Indem er seine Karte zusammen mit den Beobachtungen der alten Babylonier nutzte, entdeckte er, dass wenn man am ersten Frühlingstag jedes Jahres auf die Positionen der Sterne schaut, verschieben sie sich leicht im Vergleich zum Vorjahr. Seine Entdeckung zählt zu den größten Entdeckungen in der Geschichte der Astronomie. Aber er hätte es nicht ohne seine Karte schaffen können.

Heutzutage stehen Astronomen kurz vor vielen anderen aufregenden Entdeckungen. Sie haben Objekte gefunden, die man Quasare nennt, von der Größe eines Sonnensystems aber heller als die gesamte Galaxie, welche die am weitesten entfernten Objekte im Universum sind. Sie haben matte, schwache Sterne gefunden, braune Zwerge genannt, eine fehlende Verbindung in der Entwicklung der Sterne. Und sie konstruieren eine Karte des gesamten Universums, die Licht auf den Ursprung des Universums vor 15 Milliarden Jahren werfen könnte. Aber genau wie Hipparchus können moderne Astronomen nicht fortfahren diese Entdeckungen zu machen, ohne eine präzise Karte. In den nächsten paar Jahren wird die Sloan Digital Sky Survey die detaillierteste Karte in der Geschichte der Astronomie machen, eine Karte, die Astronomen jahrzehntelang nutzen werden.

Tycho Brahes Observatorium

Die Geschichte der Himmelsdurchmusterungen

Himmelsdurchmusterungen haben eine lange Geschichte und führten zu einigen der wichtigsten Entdeckungen der Astronomie. Die nächste bedeutende systematische Himmelsdurchmusterung begann erst 1700 Jahre nach Hipparchus. Tycho Brahe war ein dänischer Adliger aus dem 16. Jahrhundert, der die Bewegungen der Planeten aus seinem eigenen Observatorium studierte. Brahe und seine Assistenten machten Beobachtungen mit bloßem Auge mithilfe eines riesigen Sextanten, einem Werkzeug, das Segler benutzten um Sterne zu finden. Brahes Durchmusterung dauerte Jahrzehnte und war präziser als jede andere Durchmusterung davor. Nach Brahes Tod wurden die Daten seiner Durchmusterung an seinen Assistenten Johannes Kepler weiter gegeben. Mithilfe dieser Daten folgerte Kepler, dass sich alle Planeten in elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen - die Idee auf ewig begrabend, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei - und erlangte seine drei berühmten Gesetze der Planetenbewegung. Keplers Arbeit, die völlig auf Brahes Karte basierte, steht für eine krönende, intelligente Errungenschaft der Wissenschaft.

Dreihundert Jahre nach Keplers Zeit, dachten Astronomen, dass das Universum nur aus den Sternen unserer Milchstraße besteht, zusammen mit ein paar verschwommenen, undeutlichen und mysteriösen Objekten, die sie "Nebelflecken" nannten. Die meisten Astronomen glaubten, dass diese Objekte zwischen den Sternen verstreut seien. Später fand man heraus, dass die meisten dieser Objekte eigentlich unabhängige Galaxien waren, die Millionen von Lichtjahren von der Erde entfernt lagen. Die ehemaligen Teleskope konnten die einzelnen Sterne in diesen entfernten Galaxien nicht auflösen, weswegen sie nur als kleine neblige Flecke am Himmel erschienen.

Unsere Milchstraße ist in vielen Hinsichten ähnlich zu dieser Galaxie, die von SDSS gefunden wurde.

1917 wurde ein neues Teleskop auf Mount Wilson in Kalifornien gebaut. Das Mount Wilson Teleskop war das größte Teleskop das jemals in der Welt gebaut wurde, und es enthüllte ein völlig neues Bild von unserem Platz im Universum. Als man dieses Teleskop benutzte, das damals so gigantisch erschien, entdeckten Astronomen, dass viele der Nebel andere Galaxien waren, wie unsere eigene Milchstraße. Weitere Karten zeigten, dass das Universum Hunderte von Milliarden Galaxien enthält. Weniger als ein Jahrzehnt nach dieser überraschenden Entdeckung, fanden Astronomen eine andere, sogar größere Überraschung: das Universum besteht nicht nur aus Milliarden anderer Galaxien, sondern es erweitert und ändert sich auch mit der Zeit.

Das expandierende Universum

In zweitausend Jahren Astronomie kam nie jemand auf die Idee, dass das Universum sich ausdehnen könnte. Die alten griechischen Astronomen und Philosophen betrachteten das Universum als eine Verkörperung der Perfektion. Die Himmel waren wahrlich himmlisch - unveränderbar, beständig und geometrisch perfekt. In den frühen 1600er Jahren, entwickelte Isaac Newton sein Gravitationsgesetz, und zeigte, dass sich die Bewegungen im Himmel mit denselben Gesetzen erklären ließen, wie die Bewegungsgesetze auf der Erde.

Dennoch verwickelte sich Newton in Widersprüche, als er versuchte seine Gravitationstheorie auf das gesamte Universum anzuwenden. Da die Schwerkraft stets anziehend wirkt, sagte sein Gesetz voraus, dass sich die ganze Substanz im Universum letzten Endes zu einem großen Ball zusammen ziehen würde. Die Unmöglichkeit dieses Falls war Newton klar, weswegen er annahm, dass das Universum statisch sein müsse. Daher vermutete er, dass der Schöpfer die Sterne so platziert habe, dass sie "einen immensen Abstand voneinander hätten".

Albert Einsteins Relativitätstheorie ist die Basis für unsere kosmologischen Raum- und Zeitmodelle.

1916 begegnete Albert Einstein demselben Problem wie Newton. Einstein hatte gerade erst seine allgemeine Relativitätstheorie vollendet, welche die Schwerkraft auf eine andere Art wie Newtons Gesetz erklärt. Genau wie Newtons Theorie sagt die allgemeine Relativität voraus, dass das Universum in einen Ball zusammenfallen soll. Da Einstein annahm, dass das Universum statisch sein müsste, fügte er einen konstanten Term zu seinen Gleichungen hinzu, welcher der Schwerkraft auf sehr großen Entfernungsausmaßen entgegenarbeitet. Ein paar Jahre später wies jemand darauf hin, dass Einsteins Gleichungen eine andere Lösung hatten, in der das Universum expandieren sollte, aber Einstein arbeitete weiterhin mit seinem konstanten Term, in dem Glauben, dass das Universum statisch sei.

Dann machte Edwin Hubble von den Carnegie Observatorien in Pasadena, Kalifornien, 1924 eine neue Karte. Er beobachtete eine Reihe von entfernten Galaxien und stellte fest, dass das Licht von diesen Galaxien rötlich versetzt war - das bedeutet, dass Lichtwellen auseinander gestreckt wurden, wie die Schallwellen einer vorüberziehenden Sirene. Hubble fand heraus, dass um so weiter die Galaxie weg war, desto intensiver war die Rotverschiebung. Seine Beobachtungen zeigten, dass das Universum expandiert, das heißt, dass es zu einem einzigen Zeitpunkt, dem sogenannten Urknall, vor ungefähr fünfzehn Milliarden Jahren angefangen haben muss. Als Einstein von Hubbles Entdeckung erfuhr, realisierte er, dass seine Gleichungen die ganze Zeit über die Expansion des Universums prophezeit hatten, und nannte seinen konstanten Term seinen "größten Fehltritt". Heutzutage ist die Idee des expandierenden Universums die Grundlage für die Gesamtheit der modernen Astronomie.

Den Himmel kartografieren - Was bedeutet das?

Seit Hubbles Zeit wurden noch einige Himmelsdurchmusterungen durchgeführt. Aber der Großteil der astronomischen Forschung konzentriert sich darauf, eine kleine Anzahl von einzelnen Objekten zu beobachten, die oft gewählt wurden, da sie irgendwie ungewöhnlich erschienen. Indem man seltene Objekte wählte, versuchten die Astronomen einen breiten Bereich von himmlischen Phänomenen zu beobachten und zu kategorisieren, um die Grenzen von dem "was da draußen ist" zu entdecken und einzuschränken. Jedoch stellten einige Astronomen, die diese Forschungsmethode anwendeten, fest, dass Berechnungen, die man als einfach und unkompliziert angenommen hatte, sich doch als schwierig erwiesen. Zum Beispiel, fanden sie heraus, dass es besonders schwer war die Erweiterungsrate des Universums (Hubblekonstante genannt), die Dichte des Universums, wie sich Galaxien häufen, und sogar was den Großteil des Universums ausmacht zu bestimmen. Die Gründe für diese Schwierigkeiten liegen auf der Hand: die Astronomen hatten zu wenige Daten, mit denen sie arbeiten konnten. Es war so, als ob sie versucht hätten, den Ozean zu studieren, jedoch nur eine kleine Stelle im Nordatlantik sehen würden. Den Astronomen wurde klar, dass es Zeit für eine andere Karte des gesamten Himmels sei, mit der man große Mengen des Himmels über Entfernungen bis zu etlichen Milliarden Lichtjahren sehen konnte. Jetzt wo die Technologie weit genug fortgeschritten ist, wurde diese Karte von der Sloan Digital Sky Survey entwickelt.

Was meinen wir damit, wenn wir sagen die SDSS wird das Universum kartografieren? Für die SDSS bedeutet kartografieren die Positionen und Verhältnisse von all den 100 Millionen Himmelsobjekten zu vermessen, die ihr Teleskop zulänglich beobachten kann: mehr als ein Viertel des nördlichen Himmels. Um diese Objekte zu finden, müssen die SDSS Astronomen als erstes ihre Teleskope verwenden, um ein Bild vom Himmel des gesamten Vermessungsbereiches zu schießen. Nach dieser ersten Zusammensetzung der Beobachtungen, können fast alle Objekte in genau erkannte Typen, wie Sterne, Galaxien und Quasare eingeordnet werden. Diese erste Durchmusterung erfasst auch die Positionen der Objekte sehr präzise. Die erste Durchmusterung kann bereits als eine Karte des Himmels angesehen werden: sie sagt den Astronomen, wohin sie schauen müssen um die Objekte zu finden. Aber Astronomen sind auch daran interessiert die Entfernungen zu diesen Objekten zu messen, um ein vollständiges dreidimensionales Bild davon zu bekommen "was da draußen ist".

Kosmologen, die den Ursprung und die Struktur des Universums erforschen, sind ganz besonders an der Vermessung von Entfernungen interessiert. Um die Distanz zu Himmelsobjekten zu messen, müssen die SDSS Astronomen zu jeder entdeckten Galaxie zurück gehen und sie noch einmal beobachten, mit einem Gerät, das Spektogramm genannt wird - im Grunde ein riesiges Prisma, das Licht in seine Bestandsfarben aufspaltet. Der Spektogramm analysiert, wie viel von jeder Farbe des Lichts von dem Objekt kommt. Aufgrund der Tatsache, dass sich das Universum erweitert, wurde die Wellenlänge von dem ganzen Licht, das von der Galaxie kommt, auf seiner Reise gestreckt. Diese Streckung wird die Rotverschiebung des Lichts genannt. Indem die Rotverschiebung jeder Galaxie ausgemessen wird, können Astronomen den Abstand zu der Galaxie bestimmen und eine vollkommen dreidimensionale Karte der Galaxiepositionen machen. Die hochentwickelte Technologie der Sloan Digital Sky Survey macht es möglich die Entfernungen zu ungefähr 600 Galaxien in weniger als einer Stunde zu messen. In fünf Jahren, wird die Durchmusterung die Distanz zu über einer Million Galaxien abmessen.

Ein Spektrum einer Galaxie, das zeigt wie viel Licht die Galaxie von verschiedenen Farben abgibt. Dieses Spektrum ist verhältnismäßig zu dem der Erde gestreckt oder rotverschoben. Die Zahl "z" am unteren Ende des Bildes zeigt den Grad der Rotverschiebung (SDSS) an.

Die Zukunft der Astronomie

Von dem Glauben, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei, bis zu dem Verständnis, dass unsere Sonne nur einer von Hunderten von Milliarden Sternen ist, die unsere eigene Milchstraße ausmachen, machte das menschliche Wissen eine lange Reise von der Antike bis zu der Renaissance. Und wie die großen Weltentdecker der Renaissance, wagten sich die Astronomen zur Wende des letzten Jahrunderts weiter hinaus als jemals zuvor, und stellten fest, dass das Universum ein weit größerer Platz ist, als es sich irgendjemand davor hätte vorstellen können. Die Astronomen des 20. Jahrhunderts entdeckten schwarze Löcher, die in den Zentren von Galaxien lauern, Sterne mit der Masse eines Berges, zusammengepresst zu der Größe eines Zuckerwürfels, aufeinander prallende Galaxien, explodierende Sterne, und Quasare - riesige, strahlende Leuchtfeuer aus Licht, mit einer Intensität von über 1000 Milchstraßen.

Und während die frühen europäischen Entdecker bald gefolgt wurden von Botanikern, Geographen, Geologen und Sachverständigen, die die "Neue Welt" gründlich und systematisch erforschten, folgen die heutigen Astronomen der Führung der astronomischen Entdecker des letzten Jahrhunderts, und fangen mit ihrer eigenen gründlichen und systematischen Erforschung des Himmels an.

Dennoch gibt das Universum seine Geheimnisse nicht leicht preis. Die Sloan Digital Sky Survey kam zusammen durch die harte Arbeit von Astronomen rund um die Welt. Astronomen werden die Daten der SDSS verwenden, um viele weitere erstaunliche Dinge in den folgenden Jahren zu entdecken.