Die Evolution des Universums E-Book

Felicitas Mokler

• Herausgeber: Franckh-Kosmos Verlags-Gmbh & Co. KG
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 241

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

Was geschah beim Urknall und wie sieht die Zukunft des Universums aus? Die Evolution des Universums ist das Topthema der Astronomie. Berühmte Physiker wie Albert Einstein oder Stephen Hawking haben sich dem Thema Kosmologie gewidmet, das Hubble-Teleskop hat bis an den Rand des Kosmos geschaut und präzise Messungen haben unser Bild verfeinert. Die Astrophysikerin Dr. Felicitas Mokler zeichnet die historische Entwicklung der Kosmologie nach, ordnet die damit verbundenen Weltbilder ein und bringt uns umfassend und verständlich auf den neuesten Stand der Forschung.

Leseprobe

Inhalt

GELEITWORT

PROLOG

AUFBRUCH IN EIN NEUES UNIVERSUM

Als die Nebel lichter wurden und das Universum zu expandieren begann

AUF DER SUCHE NACH DEM URKNALL

Wie die Kosmologie aus der Ecke der Spekulation ihren Weg zu einer handfesten Wissenschaft nahm

— Die Suche nach dem Urknall Von der Spekulation zur Wissenschaft

VON DER QUANTENFLUKTUATION ZUM KOSMISCHEN NETZ

Ein Babyfoto des Universums und Dunkle Materie als Zutat für kosmische Strukturbildung

DIE KOSMISCHE DÄMMERUNG

Wie die ersten Riesensterne und Quasare Licht ins Dunkel brachten und was Schwarze Löcher damit zu tun haben

VOM WASSERSTOFF ZUM STERNENSTAUB

Woher das Eisen in unserem Blut und das Gold für die Zahnfüllung stammen

— Vom Wasserstoff zum Sternenstaub Über den Ursprung der Elemente

DIE EVOLUTION DER GALAXIEN

Warum die Milchstraße vielleicht früher ein Quasar war und auch heute noch Sternenraub betreibt

DIE KOSMISCHE ENTFERNUNGSLEITER

Über die Tücken der Entfernungsmessung im Universum und warum die Expansion die Sache noch einmal erschwert

TROUBLE MIT HUBBLE

Warum es so schwierig ist, den Hubble-Parameter dingfest zu machen, und wie das Universum vielleicht einmal enden wird

AUSBLICK IN DIE NAHE ZUKUNFT

Danksagung

Die Autorin

Impressum

— Trouble mit Hubble Was ist die Zukunft des Universums?

GELEITWORT

Die Astrophysik befindet sich derzeit in einer goldenen Phase, in der die Entdeckungen und Erkenntnisse geradezu auf uns herunterregnen. Neueste Beobachtungsmöglich­keiten über einen weiten Bereich verschiedener Technologien eröffnen Fenster in das Verständnis unseres Universums, die Antworten auf fundamentale Fragen erlauben: Woher kommen wir? Und wohin gehen wir? Wie entstand das Universum und was ist sein Schicksal? Wie entstand das Sonnensystem und wie das Leben? Weithin sichtbarer Beweis für die Relevanz dieser Forschung sind die Physik-Nobelpreise, die in den letzten Jahren vermehrt für Themen aus der Astronomie, Astrophysik und Teilchen-Astrophysik vergeben wurden. Die Hälfte der Nobelpreise im vergangenen Jahrzehnt betraf diese Themen: Dunkle Energie (2011), Neutrino-Oszillationen (2015), Gravitationswellen (2017), Kosmologie und Exoplaneten (2019) und Schwarze Löcher (2020).

Röntgenstrahlen und immer energiereichere Gammastrahlen geben zum Beispiel Einblicke in die Umgebung supermassiver galaktischer Schwarzer Löcher. Gravitationswellen und die ebenso schwer fassbaren Neutrinos übertragen Signale von weit entfernten kosmischen Explosionen. Die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung zeugen von den größten Beschleunigern im Universum. Neue Fenster ins All werden aufgestoßen, wenn Wissenschaftler und Ingenieure Technologien und Methoden ent­wickeln, mit denen neue Phänomene entdeckt oder bekannte Prozesse mit immer größerer Präzision vermessen werden. Mit dem gemeinsam zwischen der NASA, der ESA und der Kanadischen Weltraumagentur entwickelten Infrarot-Weltraumteleskop James Webb Space Telescope ist vor Kurzem ein extrem leistungsfähiges Werkzeug hinzu­gekommen, das uns spektakuläre Informationen, unter anderem über das früheste ­Universum, übermittelt. Meiner Meinung nach stehen wir kurz vor einem Durchbruch, mit dem wir hoffentlich einige der dunkelsten Rätsel Universums – Schwarze Löcher, Dunkle Materie und Dunkle Energie – erhellen können.

Mit dem Buch Die Evolution des Universums ist es Frau Mokler gelungen, diese spannenden neuen Entwicklungen in die klassische Geschichte der Astronomie und Kosmologie einzuweben, ohne die allgemeinverständliche Darstellung der Grundlagen aus dem Auge zu verlieren. Insbesondere die faszinierenden astronomischen Bilder, aber auch die anschaulichen Grafiken machen das Lesen des Buches und das Verstehen der Zusammenhänge zu einer Freude

Madrid, im November 2022

Prof. Dr. Günther Hasinger

Direktor für Wissenschaft der Europäischen Weltraumorganisation ESA

— Dunkle Geheimnisse Die berühmte Galaxiengruppe „Stephans Quintett“ wirkt in der Infrarotaufnahme des James Webb Space Telescope so völlig anders als im Optischen (vgl. Kapitel 6, S. 142). Hier treten zuvor unsichtbare Details in der Struktur hervor. Solch enge Galaxienkonstellationen haben sich im frühen Universum häufiger getummelt. Angetrieben durch einfallendes Material auf ihre zentralen Schwarzen Löcher haben sie damals vermutlich als helle Quasare geleuchtet.© NASA, ESA, CSA, and STScI

PROLOG

Als ich im November 2021 eine Konferenz über Dunkle Energie und Gravitation am Munich Institute for Astro- and Particle Physics in Garching besuchte, hatte ich ein interessantes Déjà-vu-Erlebnis. Eines Nachmittags machte ich mich nach den Vorträgen vom Forschungsgelände zu Fuß auf in den Ort. Nach einem sonnigen Tag war es schon dämmrig geworden und recht frostig. Der Weg war anfangs gesäumt von Gebüsch, später verlief er zwischen flachen Feldern hindurch. Jede Biegung war mir wohl vertraut, beinahe war mir so, als würde ich noch jeden einzelnen Baum wiedererkennen. Vor vielen Jahren, während meiner Doktorarbeit, war ich hier täglich mit dem Fahrrad gefahren. Viele schöne Erinnerungen kamen in mir hoch.

Doch so manches hatte sich seither auch verändert. Ein Teil der Felder lag nun brach, an einem tat sich eine weite Baugrube auf. Und ich selbst lebte nun ein völlig anderes Leben als damals als Doktorandin. Es kam mir vor, als sei ich in eine Zeitschleife geraten, in der sich Altes mit Neuem zu vermischen schien.

Zu der Konferenz war ich gefahren, weil ich wissen wollte, wie es um das Universum steht, oder besser noch: um unser Weltbild. Seit einigen Jahren schon zeichnet sich in der Kosmologie eine große Debatte ab: Die Messungen zur Expansion des Universums scheinen nicht übereinzustimmen, wenn sie nach zwei grundverschiedenen Methoden gewonnen werden. So etwas lässt die Wissenschaftler immer aufhorchen, und das zu Recht.

Mittlerweile deutet vieles darauf hin, dass das ­Dilemma nicht – zumindest nicht ausschließlich – an Messfehlern liegt. Die Ursache muss also diesmal fundamentalerer Natur sein. Astrophysiker und Kosmologen haben begonnen, die Grundfesten, auf denen unser heutiges kosmologisches Modell fußt, in Frage zu stellen. Damit befinden sie sich erstaunlicherweise in einer ganz ähnlichen Situation wie ihre Kollegen vor 100 Jahren: Damals endete nicht nur eine über mehrere Jahrhunderte andauernde Debatte darüber, ob die Spiralnebel zur Milchstraße gehören oder als eigenständige Sternsysteme anzusehen seien. Im Jahr 1923 beobachtete Edwin Hubble den ersten veränderlichen Cepheiden-Stern im Andromeda-Nebel. Dank der Erkenntnis von Henrietta Leavitt, dass sich anhand dieser regelmäßig pulsierenden Sterne die Entfernung bestimmen lässt, konnte Hubble nun nachweisen, dass der Andromeda-Nebel eine eigenständige Galaxie außerhalb der Milchstraße ist. Zusammen mit den Beobachtungen der flüchtenden Galaxien markierte diese Erkenntnis den Beginn zum Aufbruch in ein neues, expandierendes Universum. Wenige Jahre zuvor hatte Albert Einstein mit seiner Entwicklung einer neuen Theorie der Gravitation außerdem die ­Voraussetzungen dafür geschaffen, den Kosmos all­umfassend zu beschreiben. Das bis dahin vorherrschende Weltbild eines schon seit eh und je existierenden, statischen Kosmos änderte sich revolutionär.

Und doch haben wir heute einen völlig anderen Blick auf unseren Kosmos als vor 100 Jahren. In der Astrophysik ebenso wie in der Kosmologie haben wir seither gewaltig viel herausgefunden. Wir wissen, dass auch Sterne nur eine endliche Zeit existieren, dass sie während ihres Millionen bis Milliarden Jahre dauernden Lebens aber einen wichtigen Dienst am Universum tun: Sie produzieren schwere Elemente, die am Ende ihres Lebens in den Weltraum gelangen und vermischt mit der interstellaren Materie in die nächste Generation von Sternen eingebaut werden. Nur so wurde es möglich, dass sich auch Planeten bilden und schließlich Leben entwickeln konnte.

Wir haben außerdem herausgefunden, dass auch Galaxien einmal klein angefangen haben und sich erst mit der Zeit zu den Ellipsen und zahlreichen formschönen Spiralen entwickelt haben. Und dass dabei Schwarze Löcher, diese massereichen Ungetüme und doch eigentlich recht theoretischen Gebilde, die der Allgemeinen Relativitätstheorie entspringen, bei der Galaxienentwicklung eine ganz wesentliche Rolle spielen. Und nicht zuletzt haben wir beste experimentelle Beweise dafür, dass das Universum mit einem Urknall begann, seitdem expandiert und seit etwa der Hälfte seiner Existenz dies sogar beschleunigt tut.

— Andromeda-Galaxie von Edwin Hubble 1923 Vor bald 100 Jahren, am 6. Oktober 1923, gelang es Edwin Hubble, anhand eines Cepheiden im Andromeda-Nebel (M 31) dessen Entfernung zu bestimmen – und so zu zeigen, dass es sich bei M 31 um eine eigenständige Galaxie außerhalb der Milchstraße handelt. Auf diesem Negativ der Fotoplatte, aufgenommen am 100-Inch-Hooker-­Teleskop, ist auch Hubbles Markierung des ­Cepheiden (Var!) zu sehen.© Courtesy Carnegie Observatories, Carnegie Institution of Washington

EINE NEUE ÄRA DER KOSMOLOGIE?

Unsere Erkenntnisse und unser Weltbild haben sich in den letzten 100 Jahren weiterentwickelt wie nie zuvor. Heute hat die Cepheiden-Methode ihren festen Platz in der extragalaktischen Entfernungs­bestimmung. Inzwischen ist sie so ausgetüftelt, dass Astronominnen und Astronomen das Universum anhand der Präzisionskosmologie genauer vermessen können als je zuvor. Zugleich tun sich damit aber eben jene neuen Widersprüche auf, die unser kosmologisches Modell heute empfindlich auf den Prüfstand stellen.

Vor allem sind die fundamentalen Zutaten, die nach diesem Modell ein solches expandierendes Universum bedingen sollen – die Inflation zu Beginn des Universums, die Dunkle Materie als unabdingliche Substanz für die Strukturbildung und die Dunkle Energie als treibende Kraft für die beschleunigte Ausdehnung des Universums – noch alles andere als greifbar. Stehen wir vielleicht wieder vor einem gewaltigen neuen Umbruch – ein Déjà-vu-Erlebnis etwa auch in der Kosmologie?

Dass sich Weltbilder wandeln, kam in der Kulturgeschichte der Menschheit immer wieder einmal vor. In der Antike war die Erkenntnis, dass die Erde eine Kugel sei, bezeichnend. Später mussten wir uns von dem ptolemäischen Weltbild lösen, in dem die Erde im Mittelpunkt stand und von den Planeten und Sternen auf Sphären umkreist wurde. An seinen Platz rückte das kopernikanische Weltbild mit der Sonne im Zentrum. Heute wissen wir längst, dass auch die Sonne nur einer von Abermilliarden Sternen in der Milchstraße ist, und auch unsere Heimatgalaxie nur eine unter unzählig vielen im gesamten Kosmos. Und vor allem gibt es im Universum gar keinen Mittelpunkt.

Welcher dieser Wandel wohl am tiefgreifendsten war? Kulturgeschichtlich dürfte es jener gewesen sein, der dem Menschen seinen Platz im Nabel des Kosmos absprach; wissenschaftshistorisch wohl jener zu Beginn des letzten Jahrhunderts. Die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine, wenn nicht die fundamentalste Errungenschaft in den Naturwissenschaften. Begleitet wurde sie von neuen Beobachtungsmöglichkeiten, die auch experimentell unseren Blick in den Kosmos erweitert haben und die neue Theorie erst überprüfbar machten.

Und ohne den technologischen Fortschritt vor ­allem seit der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts wäre uns der Einblick nicht nur in die Struktur des Universums, sondern auch in viele astrophysikalische Prozesse bislang verwehrt geblieben. Aber wir wären auch gar nicht in der Lage dazu, viele der aktuellen Fragen überhaupt erst zu stellen.

— Andromeda-Galaxie im Licht des Hubble-Teleskops 2011 hat das Hubble Space Telescope die Region um den Cepheiden-Variablen V1 in M 31 abgelichtet (siehe Kreis), der Edwin Hubble zur Entfernungsbestimmung diente. Heute lassen sich auch die übrigen Sterne in M 31 einzeln auflösen. In den dunklen Regionen verdeckt Staub das Sternenlicht.© NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

AUFBRUCH IN EIN ­NEUES UNIVERSUM

Als die Nebel lichter wurden und das Weltall zu expandieren begann

— Unsere kosmische Heimat In einer sternklaren Nacht überspannt das blass schimmernde Band der Milchstraße das Firmament. Durch ein Teleskop betrachtet, löst sie sich in abertausende Sterne auf, die Teil unserer Heimatgalaxie sind. Dass die Spiralnebel, die den Himmel hier und da abseits der Milchstraße bestücken, andere Galaxien weit draußen im Universum sind, fanden die Astronomen erst vor wenig mehr als hundert Jahren heraus.© ESO/F. Char

Am 12. Juli 2022 gingen die ersten Himmelsfotos des James Webb Space Telescope (JWST) um die Welt. Farbenfrohe Gasstrukturen und funkelnde Galaxien – bestechend schön. Doch beeindruckend waren die Aufnahmen eigentlich auf eine ganz andere Weise, denn die Farben sind nicht echt, sondern für das menschliche Auge sichtbar gemacht. In Wirklichkeit beobachtet das neue Hightech-Weltraumobservatorium im Infraroten; dieser Wellenlängenbereich liegt jenseits des sichtbaren Spektrums und ist für uns Menschen allenfalls durch Wärmestrahlung wahrnehmbar, wenn diese intensiv genug ist.

Mit dieser Spezialisierung auf das Infrarote setzt das JWST dort an, wo das Hubble Space Telescope (HST), das uns die letzten 30 Jahre neue Einblicke in das Universum beschert hat, an seine Grenzen kam.

In speziell aufbereiteten Aufnahmen der Hubble Deep Fields lassen sich die Spuren der frühesten Galaxien erahnen, die das Universum vor rund 13 Milliarden Jahren hervorgebracht hat. Ihr Licht ist wegen der Expansion des Universums stark ins Rote verschoben, daher werden sie erst im Infrarotlicht sichtbar.

— Tief geblickt In einer der ersten Himmelsaufnahmen des James Webb Space Telescope ist der Galaxienhaufen SMACS 0723 zu sehen. Im Hintergrund verbergen sich einige der frühesten Galaxien überhaupt.© NASA, ESA, CSA, STScI

Auch in der aktuellen JWST-Aufnahme des Galaxienhaufens SMACS 0723 finden sich Hinweise auf eine der frühesten Galaxien, die wir jemals zu Gesicht bekommen haben. Doch für das James Webb Space Telescope ist das alles nur der Anfang. Es ist speziell auf diese frühe Epoche des Kosmos ausgerichtet, um den Galaxien bei ihrer Geburt zuzusehen. Zugleich soll es die Frage klären, ob sich Sterne oder aber galaxienähnliche Strukturen zuerst gebildet haben. Historisch folgt das JWST dem Hubble Space Telescope nach, wissenschaftlich betrachtet wird es eine ganz wesentliche Ergänzung sein.

WELTBILDER IM WANDEL

Vor wenig mehr als 100 Jahren hätten sich Astronomen wohl kaum träumen lassen, dass die Menschheit einmal so weit in den Kosmos hinaus und in die Vergangenheit würde blicken können. Damals beschäf­tigte sie noch eine ganz andere, aber nicht minder ­relevante Frage: Sie stritten darüber, ob die Spiral­nebel, die sich im Teleskop an verschiedenen Stellen des Firmaments zeigten, Teil unserer eigenen Galaxis seien oder andernfalls eigenständige Sternsysteme bildeten.

James Webb: das Teleskop für die frühe Epoche des Universums

Die Debatte darüber schwelte schon lange. Mitte des 18. Jahrhunderts musste das Weltbild eines unendlichen, gleichmäßig mit Sternen befüllten Universums, wie es Sir Isaac Newton (1643–1727) entworfen hatte, an Vollkommenheit einbüßen. Der Blick durch die immer besser werdenden Fernrohre zeigte, dass die Sterne doch nicht so gleichförmig verteilt sind, wie man es damals gerne noch einer höheren, vielleicht göttlichen Ordnung zugeschrieben hätte.

So ließ sich nun auch das blasse Band der Milchstraße teilweise in unzählige Sterne auflösen, die diese Himmelsregion im Gegensatz zum übrigen Firmament dicht aneinandergedrängt bevölkern. Das bewog den englischen Philosophen und Astronomen Thomas Wright (1711–1786) zu der Annahme, in der Milchstraße könnten die Sterne in Ringen angeordnet oder schalenartig um einen gemeinsamen Mittelpunkt kreisen. Der Mittelpunkt dieses Systems stand für Wright noch ganz im Zeichen der Schöpfung. Dennoch wagte er bereits den nächsten Schritt. Er sin­nierte darüber, ob die verwaschenen Nebel vielleicht ganz ähnliche Systeme wie die Milchstraße seien und unzählige davon im Universum existierten.

— Die Milchstraße als Ringsystem?Im 18. Jahrhundert mutmaßte der englische Philosoph und Astronom Thomas Wright, dass die Sterne in der Milchstraße ähnlich dem Saturnsystem ringartig oder kugelschalenförmig um einen Mittelpunkt kreisen.© Thomas Wright: An original theory or new hypothesis of the universe/Wellcome Library

— Unermessliche Schöpfung?Außerdem ahnte Wright, dass die unschein­baren ­Spiralnebel ebenfalls Milchstraßensysteme sein könnten und es davon unzählige im ­Universum gibt.© Thomas Wright: An original theory or new hypothesis of the universe/Wellcome Library

Diese Ideen dachte kein geringerer als der Philosoph Immanuel Kant (1724–1804) weiter. Er ent­wickelte ein Modell des Kosmos, das in seinem Aufbau erstaunlich nahe an das heute beobachtbare Universum heranreicht. Kant stellte die Milchstraße als eine scheibenförmige Ansammlung von Sternen dar, die sich um ein gemeinsames Zentrum bewegen. Besagte Nebel seien ihrerseits scheiben- oder ellipsenförmige Welteninseln, die ebenfalls aus Sternen und Sternhaufen bestehen. Nach Kants Vorstellung fanden sich mehrere Milchstraßen zu Gruppen von Milchstraßen zusammen und diese wiederum zu noch höheren Ansammlungen. Diese hierarchische Struktur ähnelt den Galaxienhaufen und Superhaufen, die wir heute im Kosmos beobachten, schon sehr.

Unabhängig von Kants Werk entwickelte der Mathematiker und Astronom Pierre-Simon de Laplace (1749–1827) eine Hypothese zur Entstehung des Sonnensystems. Ihr zufolge seien Sonne und Planeten aus ein und derselben gemeinsamen, rotierenden Gaswolke entstanden – übrigens nach wie vor die Grundlage der modernen Theorie der Planetenentstehung. Nach Laplace handelte es sich bei den spiralförmigen Nebeln um solche Gaswolken, aus denen gerade neue Sonnen und Planeten entstanden.

Doch noch waren die Teleskope nicht gut genug, um die eine Hypothese bestätigen, die andere wider­legen zu können. Und so entzweiten sich die Astro­nomen beider Lager über 100 Jahre lang. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts, als die Beobachtungsmöglichkeiten ein ganzes Stück weiter ausgereift waren, sollte Bewegung in die Debatte kommen.

Damals arbeitete der junge amerikanische Astronom Vesto Melvin Slipher (1875–1969) am Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona. Der Mäzen und Liebhaberastronom Percival Lowell (1855–1916) hatte diese Sternwarte eigentlich dazu bauen lassen, um Mars näher zu beobachten. Wie selbst einige an­gesehene Wissenschaftler hielt Lowell die „Canali“, die der italienische Astronom Giovanni Schiaparelli (1835–1910) Ende der 1870er-Jahre beobachtet ­hatte, für Anzeichen einer Zivilisation auf unserem Nachbarplaneten und wollte diese näher ergründen.

— Eine Zivilisation auf dem Mars?Percival Lowell wollte die von Schiaparelli ­entdeckten „Canali“ auf dem Mars mit seiner Sternwarte weiter erforschen. Später stellten sich die vermeintlichen Strukturen auf dem roten Planeten als optische Artefakte heraus. © Lowell Observatory/Linda Hall Library

FLÜCHTENDE SPIRALNEBEL

Doch das neue Observatorium hatte noch weit mehr Potenzial, und so betraute der Leiter der Sternwarte Slipher 1909 damit, den Andromeda-Nebel spektroskopisch zu untersuchen. Wie viele seiner Kollegen war auch Slipher damals ein Anhänger der Sternenhypothese der Spiralnebel. Anhand der Spektralanalyse wollte man mehr über diese Objekte herausfinden und hoffte, dabei zugleich etwas über den Ursprung unseres eigenen Sonnensystems zu erfahren.

Die Spektroskopie hatte sich unterdessen längst als probates Mittel in der Astronomie erwiesen. Dazu wird das Sternenlicht mit einem Prisma – ähnlich wie bei einem Regenbogen durch Wassertropfen – in seine spektralen Bestandteile aufgespalten, die unser Auge als verschiedene Farben wahrnimmt. Dabei treten an bestimmten Stellen im Spektrum dunkle Linien hervor, die sich den aus dem Periodensystem bekannten chemischen Elementen zuordnen lassen.

Die Erklärung dafür, wie diese Linien zustande kommen, lieferte Anfang des 20. Jahrhundert die von Max Planck (1858–1947) begründete Quantenphysik: Die Elektronen in der Atomhülle können dort nur in diskreten Zuständen verweilen und daher nur Licht bei bestimmten Energien aufnehmen und abgeben, wenn sie zwischen den Energieniveaus wechseln. Darüber hinaus unterscheiden sich diese Energie­niveaus der verschiedenen chemischen Elemente auf charakteristische Weise.

— Spektrallinien Mit einem Spektrografen lässt sich das Licht von Sternen oder wie hier von der Sonne in seine Farb­bestandteile zerlegen. Die dunklen Linien entstehen, da die unterschiedlichen chemischen Elemente in der Stern- oder Sonnenatmosphäre Licht bei verschiedenen Wellenlängen absorbieren.© NOAO/AURA/NSF

So hinterlässt jedes Element in der Atmosphäre eines Sterns eine charakteristische Abfolge an Spek­trallinien im Sternenlicht. Daraus lässt sich also die chemische Zusammensetzung von Sternen ablesen. Darüber hinaus gibt das Spektrum Aufschluss über Temperatur und Dichte der Sternatmosphäre, aber auch über die Dynamik von Sternen und anderen Himmelsobjekten.

Treten die charakteristischen Spektrallinien etwa von Wasserstoff im Sternenlicht bei einer anderen Wellenlänge als im Labor auf, bedeutet das, dass sich das Objekt relativ zum Beobachter bewegt. Der österreichische Physiker Christian Andreas Doppler (1803–1853) beschrieb diesen Effekt zunächst für Schallwellen: Eine Schallquelle sendet in regelmäßigen Zeitintervallen Signale in Form von Schallwellen aus. Bewegt sich diese Schallquelle auf uns zu, hat das jeweils später ausgesandte Signal einen kürzeren Weg zu uns zurückzulegen, als das zuvor ausgesandte. Die Signale kommen also mit einer höheren Frequenz bei uns an, als sie von der Schallquelle ausgesendet werden – die Schallquelle klingt höher als in Ruhe. Entfernt sich eine Schallquelle, haben hintereinander ausgesandte Signale eine jeweils längere Strecke zurückzulegen; die Signale erreichen uns mit einer niedrigeren Frequenz und klingen tiefer. Im Alltag begegnet uns dieser Effekt zum Beispiel bei einem Krankenwagen mit Martinshorn: Kommt der Rettungswagen auf uns zu, hören wir das Martinshorn höher; sobald er an uns vorübergefahren ist und sich entfernt, erklingt das Martinshorn tiefer.

Ein ähnlicher Effekt tritt auch bei Licht auf. ­Bewegt sich eine Lichtquelle auf uns zu, wird ihr Licht zu höheren Frequenzen beziehungsweise kürzeren Wellenlängen hin verschoben: Es erscheint blauer. Entfernt sich eine Lichtquelle von uns, verschiebt sich ihr Licht zu niedrigeren Frequenzen, es erscheint rotverschoben.

Slipher war nicht der erste, der sich an den Spek­tren der unscheinbaren Spiralnebel versuchte. So hatten seine renommierten Kollegen Julius Scheiner (1858–1913) und Max Wolf (1863–1923) in Heidelberg sowie Edward Fath (1880–1959) am Lick Observatory diese Objekte auch schon ins Visier genommen. Doch sie waren so lichtschwach, dass ihnen mit den verfügbaren Mitteln – dem Doppelastrografen der Landessternwarte auf dem Königstuhl oder dem Great Lick Refractor – keine ausreichend scharfen Spektren gelingen wollten, um diese detailliert untersuchen zu können. Alles, was man bis dahin aus den Spektren hatte herauslesen können, war, dass diese ­nebulösen Objekte offensichtlich Sterne oder Sternsysteme enthielten.

Dabei kommt es bei der Beobachtung von flächigen Objekten wie den Nebeln neben der Qualität des Teleskops vor allem auf Spektrograf und Kamera an. Und so experimentierte auch Slipher am Clark-­Refraktor des Lowell Observatory drei Jahre lang mit Fokus und Prisma, bis er endlich einen optimalen Aufbau für seine Zwecke ausgetüftelt hatte. Als ihm schließlich eine erste, ausreichend scharfe Aufnahme des Spektrums des Andromeda-Nebels glückte, machte er einen überraschenden Fund: Die Spektrallinien waren stark ins Blaue verschoben. Das Objekt bewegte sich offensichtlich auf uns zu, und zwar mit 300 Kilometern pro Sekunde! Dieser von Slipher berechnete Wert ist zwar mehr als drei Mal so hoch wie die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der sich die Andromeda-Galaxie uns nach heutigem Wissen nähert. Bedenkt man die Instrumentenungenauigkeiten der damaligen Zeit, ist das dennoch ein sehr guter ­Messwert. Vor allem war das wesentlich schneller als man es von Sternbewegungen sonst kannte. Offenkundig stieß diese Beobachtung in der Fachwelt auf große Skepsis. Doch schon bald darauf konnten etablierte Astronomen wie William Hammond Wright (1871–1959) am Lick Observatory und Francis Gladheim Pease (1881–1938) am Mount Wilson Observatory sie in unabhängigen Messungen bestätigen.

Bis 1917 hatte Slipher Spektren von 25 Spiral­nebeln aufgenommen, bis 1922 insgesamt 41 gesammelt: Beinahe alle waren rotverschoben, nur wenige darunter blauverschoben. Die meisten dieser Nebel entfernten sich also von uns! Noch dazu waren auch deren Fluchtgeschwindigkeiten mit 150 bis 1000 Kilometer pro Sekunde verglichen mit denen der Sterne überragend hoch. Das Verwunderliche dabei war vor allem, dass sich die Spiralnebel offensichtlich mit einer viel zu großen Geschwindigkeit bewegten, als dass sie noch gravitativ an die Milchstraße hätten ­gebunden sein können. Demnach könnte es sich bei den ­Spiralnebeln also tatsächlich um eigenständige, milchstraßenähnliche Sternsysteme außerhalb unse­rer eigenen Galaxis handeln, wie sie die Welteninsel-Theorie vorschlug, so schlussfolgerten Slipher und einige seiner Kollegen.

— Galaktische Nachbarin Für Slipher war die Andromeda-Galaxie noch einer von vielen, geheimnisvollen Spiralnebeln. ­Seine Spektralanalyse zeigte, dass sich das Objekt mit 300 Kilometern pro Sekunde auf uns zu bewegt. Nach heutigen Messungen sind es „nur“ 120 Kilometer pro Sekunde.© Yerkes Observatory/Nancy Roman/AIP Emilio Segrè Visual Archives

Wirklich gelöst war das Rätsel um die Natur der Spiralnebel damit aber immer noch nicht. Denn man war nach wie vor nicht in der Lage, die Entfernungen zu diesen Objekten zu bestimmen. Noch stand den Astronomen allein die Parallaxenmethode zur Verfügung, und die ließ sich nur auf Objekte anwenden, die einige hundert Lichtjahre entfernt waren, also noch weit innerhalb der Milchstraße lagen (siehe ab hier)

Und so dürften die neuen Funde die Debatte über die Natur dieser Objekte nur noch mehr angefacht ­haben, die schließlich in einem öffentlichen Schlag­abtausch zwischen den beiden Hauptvertretern der beiden Lager gipfelte: Heber D. Curtis (1872–1942) vom Lick Observatory und Harlow Shapley (1885–1972) vom Mount Wilson Solar Observatory waren im April 1920 zum Jahrestreffen der National Academy of Sciences eingeladen worden, um ihre Sichtweise über das Universum darzulegen. Shapley ging davon aus, dass es sich bei diesen Nebelstrukturen um Gas­ansammlungen in unserer eigenen Galaxis handelte. Curtis vertrat hingegen die Auffassung, dass das Universum aus zahlreichen Welteninseln wie unsere Milchstraße bestehe, die als eben diese Spiralnebel erschienen.

— Die Sombrero-Galaxie Der Nebel NGC 4594 wurde von Vesto Slipher ebenfalls spektroskopisch untersucht. Er schien sich mit 1000 Kilometern pro Sekunde von uns weg­zubewegen – ein Geschwindigkeitsrekord unter den von Slipher untersuchten „Nebeln“. Wegen ihrer charak­teristischen Form ist NGC 4594 heute auch als Sombrero-Galaxie bekannt.© NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

DIE ENTHÜLLUNG DER GALAXIEN

Unterdessen etablierte sich eine neue Methode zur Entfernungsmessung in der Astronomie. Der US-amerikanischen Astronomin Henrietta Swan Leavitt (1868 –1921) waren am Harvard Observatory in Aufnahmen der Magellanschen Wolken eine Reihe von Sternen aufgefallen, die periodisch heller und wieder lichtschwächer wurden. Ein ganz ähnliches Muster kannte man bereits von dem veränderlichen Stern Delta Cephei im Sternbild Kepheus. In der nun insgesamt 1777 derartige Sterne umfassenden Stichprobe fanden sich Sterne mit längerer und solche mit kürzerer Schwankungsperiode. Leavitt erkannte 1912, dass die Helligkeitsschwankungen umso länger dauerten, je heller die Sterne strahlten. Da die Sterne in den Magellanschen Wolken jeweils gleich weit entfernt von uns sind, musste offensichtlich ein Zusammenhang zwischen der Leuchtkraft der Sterne, also ihrer intrinsischen Helligkeit, und der Schwankungsperiode bestehen.

— Computer-Ladies Edward Charles Pickering stellte am Harvard Observatory Ende des 19. / Anfang des ­20. ­Jahrhunderts Frauen zur Auswertung astronomischer Daten ein – weil sie wesentlich billiger waren als Männer. Darunter war auch Henrietta Swan Leavitt (dritte von links).© Harvard College Observatory, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives

— Bahnbrechende Entdeckung Markierungen von Henrietta Swan Leavitt auf einer Fotoplatte mit ­veränder­lichen Sternen in der kleinen Magellanschen Wolke. So entdeckte sie die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden.© Arequipa Observatory, Digital Access to a Sky Century @ Harvard

— Magellansche WolkenDie beiden Begleitgalaxien der Milchstraße sind von der Südhalbkugel aus am Nachthimmel gut mit bloßem Auge zu sehen, hier über den Hilfsteleskopen des Very Large Telescope der ESO.© J. C. Muñoz/ESO

Mit dieser Perioden-Leuchtkraft-Beziehung für den Sterntyp der Cepheiden hatte die Astronomin nicht nur eine wichtige Gesetzmäßigkeit für eine ganze Sternklasse gefunden. Sie ebnete zugleich den Weg für den Blick in den weiter entfernten Kosmos. Denn da die Helligkeit eines Objekts mit dem Abstand zum Quadrat abnimmt, lässt sich anhand der Periodendauer eines Cepheiden auf dessen Leuchtkraft, und aus deren Vergleich mit der gemessenen Helligkeit schließlich auf die Entfernung des Sterns schließen.

Der dänische Astronom Ejnar Hertzsprung (1873–1967) eichte diese Methode anhand von näher gelegenen Cepheiden, deren Entfernung er mit der ­Parallaxenmethode bestimmte. So stand der Astronomie bald ein neues Handwerkzeug zur Entfernungsbestimmung zur Verfügung, das weit über die Distanzen hinausreichte, die mit der Parallaxenmethode zugänglich waren. Und das sollte den Anhängern der Welteninsel-Theorie in die Hände spielen.

Anfang der 1920er-Jahre konnte Edwin Hubble (1889–1953), einst Student bei Slipher, am Mount Wilson Observatory im Andromeda-Nebel M 31 und drei weiteren Spiralnebeln einzelne Cepheiden-Sterne ausmachen und daraus die Entfernung dieser Objekte berechnen. Seinen Messungen zufolge lagen diese ­Nebel weit jenseits der Grenzen unserer eigenen Galaxis, soweit man diese damals bereits festmachen konnte. Die Entfernung, die er für M 31 und auch für die übrigen Nebel schätzte, entspricht etwas weniger als der Hälfte jener Werte, die wir heute kennen. Das lag auch daran, dass es verschiedene Arten von Cepheiden-Veränderlichen gibt, die ein unterschiedliches Leuchtkraftverhalten aufweisen. Das war damals allerdings noch nicht bekannt. Doch in jedem Fall war damit offensichtlich, dass es sich bei den Spiralnebeln um eigene Sternsysteme handeln musste. Die Große Debatte war also beigelegt.

Auch das Universum selbst nahm dank der neuen Methode zur Entfernungsmessung ganz neue Dimensionen an. Vor allem aber sollte der Fluchtgeschwindigkeit der Spiralnebel mit dieser Erkenntnis eine völlig ungeahnte Bedeutung zukommen. Im Jahr 1929 fasste Edwin Hubble seine eigenen Beobachtungen mit jenen einiger seiner Kollegen, darunter auch ­Sliphers, zusammen. Für 46 Galaxien trug er Rot­verschiebung und Entfernung in ein Diagramm ein. Dabei zeigte sich, dass die Galaxien umso stärker rotverschoben waren, je weiter sie von uns entfernt ­waren. Dieser Zusammenhang wurde später durch weitere Messungen bestätigt. Daraus leitete sich eine lineare Beziehung zwischen Fluchtgeschwindigkeit und Entfernung der Galaxien her, die heute als Hubble-Lemaître-Beziehung bekannt ist (siehe hier).

— Fliehende GalaxienAls Edwin Hubble 1929 die Rotverschiebungen von 46 Spiralnebeln in ein ­Diagramm ­eintrug, ergab sich eine Abhängigkeit von deren Entfernung. Daraus resultierte später die Hubble-Lemaître-Beziehung.© Edwin Hubble, 1929

Dieser nun sehr offensichtliche Befund über das Universum ging mit einer atemberaubenden Entwicklung in der theoretischen Physik einher, die unsere Vorstellung vom Kosmos noch auf ganz andere Weise revolutionieren sollte.

„Die Aufstellung der allgemeinen Relativitätstheorie erschien mir damals und erscheint mir heute noch als die größte Leistung menschlichen Denkens über die Natur, die erstaunlichste Vereinigung von philosophischer Tiefe, physikalischer Intuition und mathematischer Kunst,“ so äußerte sich der Physiker und Nobelpreisträger Max Born (1882–1970) in einem Vortrag 1955 über Einsteins Jahrhundertwerk.

EINE NEUE THEORIE DER GRAVITATION

Bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts hatte die Physik eine Entwicklung genommen, die den Weg zu dieser neuen Theorie der Gravitation, die der Ausnahmephysiker Albert Einstein (1879–1955) im Jahr 1915 vorlegte, ebnen sollte. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831–1879) hatte mit seinen berühmten Gleichungen den Zusammenhang zwischen elektrischem und magnetischem Feld beschrieben. Aus einer dieser Gleichungen folgte auch, dass sich Licht als elektromagnetische Welle fortbewegt, und zwar mit einer endlichen, konstanten Geschwindigkeit.