Beobachtungstipp im März 2010

Der wichtigste Botschafter aus den Tiefen des Weltalls ist das Licht. Alle Informationen, die wir über die fernen Himmelskörper gewinnen konnten, wurden durch das Licht angeliefert. Grund genug, sich mal einen Moment mit dem Medium Licht an sich zu beschäftigen und wie man ihm die Informationsfülle entlocken kann.

In einer sternklaren Nacht sehen wir das Licht der Sterne - Tausende von kleinen Lichtpünktchen künden dem bloßen Auge die Existenz eines gigantischen Kosmos. Die Sterne sind nicht gleichmäßig am Himmel verteilt. Es gibt Himmelsareale mit sehr hoher Sterndichte, andere Bereiche scheinen fast leer. Geübte Beobachter bemerken unterschiedliche Sternfarben. Auch gibt es Unterschiede in der Helligkeit der Gestirne, so dass der Eindruck einer räumlichen Tiefe entsteht. All diese Aussagen kann man schon durch reine Beobachtung und Kombinationsgabe machen.

Das Licht trägt viel mehr als das und beschäftigt die Wissenschaft schon sehr lange. Im 17. Jahrhundert untersuchte der Universalgelehrte Isaac Newton das Licht mit Hilfe von Prismengläsern. Er entdeckte, dass weißes Licht in seine Spektralfarben gebrochen werden kann und anschließend wieder zu weißem Licht vereint werden kann. Er erkannte auch, dass blaues Licht stärker gebrochen wird als Rotes. Ziel seiner Forschungen war eigentlich die Entwicklung eines farbreinen Teleskops, da die bisherigen Linsenteleskope sehr starke Farbfehler aufwiesen. Er schlug daher ein Spiegelsystem vor, dass heute noch als Newton-Teleskop große Verbreitung findet... Das weiße Licht der Sonne zeigt also ein Spektrum, wenn es durch ein Prismenglas gebrochen wird. Dieser Effekt war eigentlich schon seit Alters her bekannt, da es ja auch schon vor Newton Regenbogen und Halo-Erscheinungen gab. Dennoch führte Newtons Entdeckung in eine neue Denkweise, erklärte der große Physiker der Neuzeit die Natur des Lichtes mit einer Wellentheorie. Das Licht als Welle, welche sich durch den Äther bewegt, einem universellen Medium im Kosmos. Dabei sollte es aber nicht bleiben.

Ein Zeitgenosse Newtons, der Däne Ole Römer, machte eine ganz andere Entdeckung. Der Astronom untersuchte die Erscheinungen der Jupitermonde und bemerkte zeitliche Differenzen zwischen der berechneten Zeit und der beobachteten Zeit von Verfinsterungen der Jupitermonde, die mit der Entfernung des Planeten zur Erde in Zusammenhang gebracht werden konnten. Er schloss daraus, dass das Licht nicht unendlich schnell unterwegs ist, sondern sich mit einer Geschwindigkeit ausbreitet. Seinen Berechnungen zu Folge bewegte sich das Licht mit über 200.000km/s durch den Raum- eine unwahrscheinlich große Geschwindigkeit. Das erklärt auch das Scheitern der Versuche von Galileo Galilei, der mittels Laternen auf entfernten Kirchtürmen versuchte, eine zeitliche Differenz durch die Lichtlaufzeit nachzuweisen. Die Entfernungen waren einfach viel zu gering, als dass man wirklich Differenzen ausmachen konnte.

Moderne Messmethoden liefern eine Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von 299.792,458km/s. Die Erkenntnis, dass Licht nicht unendlich schnell unterwegs ist, bringt uns eine ganz andere Sicht kosmischer Ereignisse und Erscheinungen. Der Kosmos hat nicht nur eine räumliche, sondern auch eine zeitliche Tiefe. Je tiefer wir in den Weltraum schauen, desto weiter reisen wir auch in die Vergangenheit zurück. Das Licht vom nächsten Stern Proxima Centauri ist bereits 4 Jahre zu uns unterwegs. Das Licht entfernter Quasare reist schon viele Milliarden Jahre durch den Kosmos um zu uns zu kommen.

Der deutsche Astronom Wilhelm Herschel, der wohl aktivste Beobachter seiner Zeit, entdeckte eine weitere Eigenschaft des Lichtes. Im Jahre 1800 zerlegte der Astronom das Licht der Sonne in seine Spektralfarben und maß mit einem Thermometer die Temperatur der jeweiligen Farbe. Durch Zufall entdeckte er, dass das Thermometer jenseits des roten Lichtes ebenfalls anstieg. Er entdeckte die Wärmestrahlung des infraroten Lichtes. Infrarotes Licht ist für das menschliche Auge unsichtbar. Es ist langwelliger als das Licht des sichtbaren Spektrums. Es sollte aber noch weiter gehen. Der Physiker James Clark Maxwell sagte die Existenz langwelliger Strahlung voraus - Radiowellen. Die Experimente Heinrich Hertz im 19. Jahrhundert bestätigten die Existenz der Radiowellen. Schon vorher entdeckte der Physiker Johann Ritter das Licht jenseits des blauen Lichtes, das ultraviolette Licht.

Somit erweiterte sich das Spektrum des Lichtes in beide Richtungen, sowohl dem kurzwelligem UV-Licht, später noch die Röntgen- und Gamma-Strahlung sowie den infraroten Bereich bis hin zu der langwelligen Radiostrahlung, deren Wellenlänge viele Meter bemessen kann.

All diese Erkenntnisse stützten die Wellentheorie Newtons. Der Physiker Maxwell, der sich hauptsächlich mit der Elektrizität und den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität beschäftigte, entdeckte, dass sich elektrische Felder mit ähnlicher Geschwindigkeit wie das Licht ausbreiten. Er nahm an, dass das Licht ebenfalls elektromagnetische Strahlung ist. Die Zusammenführung von Licht und Elektromagnetismus gilt als die größte Entdeckung des 19. Jahrhunderts. Maxwell nahm an, dass sich das Licht in einem Medium, dem Lichtäther, ausbreitet.

Die Forschungen und Überlegungen von Max Planck zu Beginn des 20. Jahrhunderts warfen ein anderes Licht auf das Licht. Es war zwar mehr ein mathematischer Trick, zumindest zunächst, dennoch fiel es dem Physiker leichter das Licht, welches gleichzusetzen mit Energie war, als gequantelte Menge zu sehen. Die Erscheinung der elektromagnetischen Strahlung ließ sich viel leichter erklären, wenn man die Energie als kleine Energiepäckchen betrachtete, welche nicht beliebig klein waren. Das Planck'sche Wirkungsquantum war die kleines Energieeinheit, die möglich war.

In der Tat konnte man dem Licht auch einen Teilchencharakter zusprechen. Der Begriff der Photonen war geboren. Gerade im atomaren und subatomaren Bereich machten die Photonen viele Effekte erklärbar. Die Photonen als Träger der elektromagnetischen Energie konnten von anderen Teilchen aufgenommen und auch abgegeben werden. Elektronen innerhalb eines Atoms war es zum Beispiel nur möglich eine andere höhere Bahn einzunehmen, also ein höheres Energieniveau, wenn es das entsprechende Photon traf. Fiel das Elektron wieder auf sein altes Energieniveau zurück, so wurde ein Photon mit genau der Energie wieder abgegeben. Dies ist die wichtigste Eigenschaft bei der Spektralanalyse und ermöglicht es den Astronomen viel über die Herkunft des Lichtes zu sagen, welches sie untersuchen.

Zurück ging die Entdeckung schon auf den Chemiker Robert Bunsen, der im 19. Jahrhundert die Spektralanalyse begründete. Er entdeckte, dass chemische Stoffe eine Flamme spezifisch färben können. Josef von Fraunhofer entdeckte im Spektrum der Sonne dunkle Linien, die er nicht erklären konnte. Das Spektrum der gefärbten Flamme Bunsens zeigte statt der dunklen Linien helle Linien. Eine Erklärung gab es zunächst nicht, dennoch lieferten die Entdeckungen wichtige Impulse für die weitere Physik und der Begründung der Quantenphysik. Die entdeckten Linien waren nichts anderes als Emissionslinien bzw. Absorptionslinien. Im ersten Falle gaben die angeregten Atome Photonen der Wellenlängen ab, die ihre Elektronen freisetzten, während sie von den höheren auf ein niedrigeres Energieniveau fielen. Bei den Absorptionslinien wurden bestimmte Photonen aus dem Spektrum der Sonne durch die Elektronen der Sonnenatmosphäre aufgenommen und sozusagen damit aus dem Verkehr gezogen. Daher fehlen an diesen Stellen Photonen bestimmter Wellenlängen. Praktischerweise zeigen die verschiedenen chemischen Elemente charakteristische Absorptions- und Emissionslinien. Sie sind sozusagen wie ein physikalischer Fingerabdruck.

Man kann die im Labor entdeckten Linien mit denen vergleichen, die in dem Sonnenspektrum gefunden wurden oder auch in irgendeinem Sternenspektrum und man findet dort den Fingerabdruck der dort vorhandenen Elemente. Der Astronomie ermöglicht die Spektralanalyse der Nachweis von Elementen in weit entfernten kosmischen Objekten.

Wir müssen noch einmal zu Plancks Photonen zurück kommen. Wie schon erwähnt, sind die Photonen die Träger der elektromagnetischen Energie. Die Photonen sind masselose Teilchen, die sich in der Regel mit der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Ihre Eigenschaft als Energieträger kann man besser verstehen, wenn man sie als Welle betrachtet. Man nennt das auch Teilchen-Welle-Dualismus und ist einer der am schwersten zu verstehenden Konsequenzen der Quantenphysik. Ein Photon kann somit eine Frequenz besitzen oder den Kehrwert, also eine Wellenlänge. Je größer die Frequenz oder kleiner die Wellenlänge, desto mehr Energie trägt das Photon. Ein warmer Körper strahlt Photonen ab, deren Wellenlänge entsprechend seiner Temperatur verteilt sind. Die Photonen besitzen nicht alle die gleiche Wellenlänge. Sie verteilen sich um einen statistischen Mittelwert, der sich aus der Temperatur ergibt. Je heißer der Körper strahlt, desto kleiner ist der statische Mittelwert der Wellenlänge. Man nennt Körper, die entsprechend ihrer Temperatur ein entsprechendes Spektrum an Photonen freisetzen auch Schwarzkörperstrahler. Die Sonne und alle Sterne sind fast perfekte Schwarzkörperstrahler. Dies machen sich die Astronomen ebenfalls zu Nutze. Nimmt man ein Sonnenspektrum oder ein Sternenspektrum auf, so findet man bei der Messung die charakteristische Verteilung der Wellenlängen der Photonen. Der Astronom findet sehr leicht heraus bei welcher Wellenlänge die meisten Photonen abgegeben wurden. Er kann diesen Photonen dann direkt eine Temperatur zuordnen. So ist es möglich, die Oberflächentemperaturen Lichtjahre entfernter Sterne genau zu vermessen. Sterne, dessen Strahlungsmaximum eher im blauen Licht liegt sind heißer als Sterne, die mehr im rötlichen Bereich strahlen.

Die Erfolge astronomischer Forschung sind sehr eng mit der Kenntnis über das Licht verwoben. Und es soll noch weiter gehen. Mal abgesehen davon, dass die spezielle Relativitätstheorie auf die Annahme einer endlichen Lichtgeschwindigkeit aufbaut und dass nichts schneller als das Licht sein kann, sind es vorwiegend die Untersuchung von Spektren astronomischer Objekte, die uns Informationen über astronomische Objekte senden. In den 20'er Jahren des letzten Jahrhunderts untersuchte der Astronom Edwin P. Hubble die Spektren entfernter Galaxien und stellte fest, dass die Spektrallinien in den allermeisten Fällen leicht ins Rote verschoben waren. Er erkannte einen Zusammenhang zwischen der Helligkeit der Galaxie und der Rotverschiebung. Er nahm an, dass das Licht der Galaxien durch den Dopplereffekt ins Rote verschoben wurde und dass sämtliche Galaxien sich mit großer Geschwindigkeit von uns fortbewegen. Im Nachhinein wurde die Galaxienflucht als Folge der Expansion des Universums gedeutet und man ging erstmals davon aus, dass das Universum kein statisches Gebilde ist.

Was mit ganzen Galaxien möglich ist, kann natürlich auch an Sternen bestimmt werden. So wird der Dopplereffekt genutzt, um die radialen Bewegungen der Sterne zu messen. Mit dieser Methode wurden in den letzten Jahren sogar Planeten entdeckt, die um andere Sterne kreisen. Die Planeten ziehen mit ihrer Masse den Stern ein wenig zu sich hin und lassen ihn regelmäßig hin und her pendeln. Die Geschwindigkeitsdifferenz von wenigen Metern pro Sekunde kann mit modernen Spektroskopen gemessen werden. Wandert das Licht des Sterns dabei durch die Atmosphäre des Planeten, so ist es mittlerweile möglich, einzelne Elemente der Planetenatmosphäre zu bestimmen, weil sie ihren typischen Fingerabdruck im Spektrum als schwarze Linie hinterlassen.

Möglich ist auch die Bestimmung von Magnetfeldern um ferne Sterne. Ein Magnetfeld führt zur Verbreiterung und sogar zur Aufspaltung von Spektrallinien. Findet sich in einem Spektrum eine doppelte Linie, die dem selben Element zugeordnet werden kann, so ist davon auszugehen, dass ein starkes Magnetfeld die Linie aufgespaltet hat.

Eines der wichtigsten Gebiete ist aber der Nachweis von interstellaren Molekülwolken durch die Untersuchung von Radiowellen. So kann selbst eine Wolke neutralen Wasserstoffs im Radiolicht bei einer Wellenlänge von ca. 21cm entdeckt werden. Licht dieser Wellenlänge wird nur von neutralen Wasserstoffatomen ausgesendet. Messungen mit den Radioteleskopen ergeben ein Karte von den Wasserstoffwolken und liefern neben der Dichte auch noch die Geschwindigkeit, mit der die Wolke unterwegs ist.

Besonders beeindruckend sind die Spektren entfernter Quasare. Quasare sind weit entfernte aktive Galaxienkerne, deren Licht oft mehrere Milliarden Jahre zu uns unterwegs ist. Diese Spektren weisen in der Regel eine große Rotverschiebung auf. Oftmals findet man aber in diesen Spektren auch Spektrallinien des Wasserstoffs und das an verschiedenen Stellen. Diese Linien werden nicht vom Wasserstoff des Quasars erzeugt. Nein, das Licht durchwandert auf dem langen Weg vom Quasar zur Erde mehrere Wasserstoffwolken, deren Fingerabdrücke wir ebenfalls im Spektrum des Quasars wieder finden. Und das ist äußerst spannend, da sie uns etwas über die großräumige Verteilung von Wasserstoff im Universum erzählen.

Wie wir sehen, liefert die reine Beobachtung von astronomischen Objekten nur im visuellen Bereich die wenigsten Informationen. Die moderne Astronomie beobachtet das Universum längst in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Selbst auf der Erde unzugängliche Bereiche werden durch Satelliten und Weltraumteleskope erforscht. Der wichtigste Lieferant astronomischen Wissens, das Licht, wird seziert und genauestens untersucht. Die Physik des Lichtes, welche im 19. und 20. Jahrhundert sehr große Fortschritte machte, ist hierbei ein wichtiges Instrument bei der Deutung der Messergebnisse der beobachtenden Astronomie. Dieses interessante Gebiet ist schon lange nicht mehr den Profiastronomen vorenthalten. Bereits mit Amateurmitteln kann man heute schon Sternspektren untersuchen. Sicher, die Amateurastronomie ist vermutlich noch etwas entfernt von bahnbrechenden Entdeckungen. Dafür sind die speziellen Gerätschaften, mit denen die Profiastronomie arbeitet dann doch zu kostspielig. Dennoch ist es interessant, sich mit der Materie zu beschäftigen und den Einstieg zu wagen. Die Zukunft wird zeigen, ob dem Amateur noch leistungsfähigere Instrumente zur Verfügung gestellt werden können.

Clear Skies,
Christian Overhaus

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