Der Sternhimmel hat zu allen Zeiten die Vorstellungskraft des menschlichen Geistes herausgefordert. Der Übergang von der Annahme einer flachen Erde zu der einer Erde in Kugelgestalt, die man zur See umfahren kann, muss überaus schwierig gewesen sein. Um die Erde als Kugel unmittelbar sehen und fotografieren zu können, bedurfte es tatsächlich erst der Flugzeuge und künstlichen Erdsatelliten unserer Tage.
Die astronomischen Weltmodelle
Im 16. und 17. Jahrhundert verursachte die Erkenntnis, dass die Erde sich nicht unbeweglich im Mittelpunkt des Weltalls befindet, gewaltige Unruhe unter den Geistern. Die von Aristoteles im 4. Jh. v. Chr. und von Ptolemaios im 2. Jh. n. Chr. entwickelten umfassenden Weltmodelle lieferten für die Bewegungen der Himmelskörper Erklärungen unter der Annahme, dass die Erde im Zentrum des Universums fixiert sei. Im Ptolemäischen System bewegten sich die Wandelsterne auf kleinen Kreisen (Epizykeln), deren Mittelpunkte auf größeren Kreisen (Deferenten) um die Erde liefen. Auf dieser Grundlage berechneten die Astronomen 14 Jahrhunderte lang die Stellungen der Planeten.
Die Sonne geht morgens im Osten auf, bewegt sich über den Himmel und geht abends im Westen unter. Dass diese Bewegung der Sonne nur eine Erscheinung sein sollte, die durch Drehung der Erde um eine Achse zustande komme, war eine Vorstellung, die dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen schien und die sich trotz einigen kühnen Geistern wie Aristarch von Samos (um 300 v. Chr.) und dem Inder Aryabhata (um 500 n. Chr.) lange nicht durchsetzen konnte. Als Copernicus vor kaum mehr als 500 Jahren die Sonne in den Mittelpunkt der Welt rückte, erklärte kein Geringerer als Martin Luther ihn für einen Narren, indem er, wie ein Ohrenzeuge berichtet, erklärte: »Der Narr will die ganze Kunst Astronomie umkehren / Aber wie die heilige Schrift anzeigt / so hieß Josua die Sonne still stehen / und nicht das Erdreich.« Copernicus schrieb um 1508 in einem Entwurf seiner Grundgedanken über die Bewegungen am Himmel: »Alle Bahnkreise umgeben die Sonne, als stünde sie in aller Mitte« und weiter: »Alles, was uns an Bewegungen bei der Sonne sichtbar wird, entsteht nicht durch sie selbst, sondern durch die Erde und unseren Bahnkreis, mit dem wir uns um die Sonne drehen.« Seine wissenschaftlich voll entwickelte heliozentrische Theorie stellte Copernicus in dem berühmten Werk »De Revolutionibus Orbium Coelestium« dar, das 1543, in seinem Todesjahr, erschienen ist.
Die Copernicanische Theorie hat die Erde ihrer beherrschenden Stellung im Zentrum des Sonnensystems entkleidet. Mit der Erfindung und allmählichen Verbesserung des Fernrohrs wandte sich in den folgenden Jahrhunderten das Interesse immer mehr den Sternen zu.
Die Erforschung der Milchstraße
Erstaunlicherweise hielt man noch 400 Jahre nach Copernicus die Sonne und das Sonnensystem für die Mitte der gesamten Sternenwelt. Erst in den zehn Jahren nach 1918 wurde durch astronomische Messungen die Grundvorstellung widerlegt und überwunden, dass der Mensch einen zentralen Platz im Universum innehabe. In jenen Jahren wurde unser Wissen von dem Bau der Milchstraße und der Struktur der Welt im ganzen in umwälzender Weise gefördert. Dem Aufkommen eines neuen astronomischen Weltbildes folgte die Entdeckung von Verfahren zur Bestimmung der Entfernungen sehr weiter Sterne. Ein Jahrhundert lang war es nur möglich gewesen, bei sehr nahe gelegenen Sternen ihre Entfernung auf trigonometrischem Wege zu messen, indem man ihre perspektivische Verschiebung vor dem Hintergrund weiterer Sterne mit dem Durchmesser der Erdbahn als Basis feststellte. F. W. Bessel (1784-1846) maß 1838 bei dem Stern 61 Cygni eine Verschiebung von 0,3" und berechnete daraus eine Entfernung zu 11 Lichtjahren. Auch mit fotografischen Verfahren reichte die trigonometrische Methode nur bis etwa 100 Lichtjahre, so dass lediglich von ein paar Tausend Sternen die Entfernungen bekannt waren. Da entdeckte Henrietta Leavitt (1868-1921) an der Harvard-Sternwarte 1912 eine Beziehung zwischen der Periode des Lichtwechsels und der scheinbaren Helligkeit bei den veränderlichen Sternen vom Typ Delta Cephei. Harlow Shapley (1885-1972) gelang der Übergang zu absoluten Helligkeiten und damit eine bedeutende Erweiterung des Bereichs von Entfernungsbestimmungen. Ein fundamentaler Fortschritt unserer Kenntnisse von der großräumigen Struktur des Universums war die Folge.
Shapley untersuchte die Cepheiden-Veränderlichen in den Kugelsternhaufen. Er hatte 1918 herausgefunden, dass für 25 der 100 bekannten Objekte dieser Art die Entfernungen bei 15 000 bis 100 000 Lichtjahren liegen. Die Kugelsternhaufen sind über den Himmel ungleichmäßig verteilt, ein Drittel ist in der Nähe der Sternwolke im Schützen konzentriert. Shapley schloss daraus, dass die Sonne vom Zentrum des Sternsystems der Milchstraße weit entfernt sein müsse. Durch seine Arbeiten wurde die uralte geozentrische Vorstellung endgültig abgetan, wonach der Mensch seinen Ort in der Weltmitte habe. Die 100 Milliarden Sterne der Milchstraße sind nicht allseitig symmetrisch verteilt - mit uns im Zentrum -, sondern liegen in einer flachen, diskusähnlichen Scheibe von 100 000 Lichtjahren Durchmesser. Die Sonne ist 32600 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, befindet sich also ziemlich weit außen. Die Struktur des Sternsystems ist recht kompliziert, so dass heute noch keine Einmütigkeit über seine Entwicklung herrscht. Zwar haben die neueren radioastronomischen Arbeiten über neutralen Wasserstoff in der Milchstraße ein endgültiges Bild von der Spiralstruktur unserer Galaxie geliefert, aber damit sind auch neue Probleme aufgetaucht. Als sicher gilt, dass die Milchstraße sich mit nachschleppenden Armen dreht wie eine zähe Flüssigkeit. In unserem Abstand von ihrem Zentrum dauert ein Umlauf 220 Millionen Jahre, in 1/10 dieses Abstandes aber nur 28 Millionen Jahre.
Wir wissen, dass nur etwa 2 Prozent der rund 200 Milliarden Sonnen entsprechenden Gesamtmasse aus diffusem Gas und Staub besteht. Das Gas setzt sich zu fast 99 Prozent aus Wasserstoff zusammen, aber seine unregelmäßige Verteilung und die Entdeckung geringer Mengen komplexer Moleküle werfen interessante Fragen auf.
Ein besonders bemerkenswerter Zug unseres Milchstraßensystems ist, dass in den zentralen Gebieten die Hauptmasse aus alten roten Sternen besteht. Innerhalb von 2000 Lichtjahren trägt Gas nur ungefähr 1 Prozent zur Gesamtmasse bei. In den Spiralarmen, wo sich die Sonne befindet, ist das Verhältnis auffallend anders: Junge blaue Sterne herrschen vor, und das Gas macht etwa 20 Prozent der Masse aus. Den Grund für diese Unterschiede kennen wir nicht. Mindestens darf man aber nicht weiter annehmen, dass die Zentralgebiete und die Spiralarme gleichzeitig entstanden seien. Eine der Meinungen geht heute dahin, dass die Arme aus dem Kern der Milchstraße zu einem späten Zeitpunkt nach seiner Entstehung herausgeschleudert wurden.
Der Umstand, dass in den Spiralarmen zugleich Gaswolken beobachtet werden, darf als guter Hinweis darauf gelten, dass in diesen Wolken Sterne neu entstehen. Deshalb sind die von Radioastronomen mit sehr kurzen Wellenlängen gewonnenen Ergebnisse für diese Wolken besonders bedeutsam. Neutrale Wasserstoffatome senden eine Spektrallinie von 21 cm Wellenlänge aus. Ähnlich haben verschiedene Moleküle charakteristische Züge im Radiospektrum, aber noch vor kurzem hat niemand ernstlich damit gerechnet, diese im interstellaren Medium nachweisen zu können. Da wurde 1963 das Hydroxyl-Radikal (OH) entdeckt, und binnen dreier Jahre nach 1969 wurden 25 weitere charakteristische Spektrallinien dieser Art gefunden. Seither ist die Zahl der Moleküle ständig gewachsen, von denen wir wissen, dass sie im Weltraum vorkommen. So ist ein neuer Bereich der Astrochemie entstanden, und die Vermutung, dass auch anderswo im Weltall eine organische Entwicklung stattgefunden haben könnte, erhielt eine wissenschaftliche Grundlage.
Extragalaktische Systeme
Shapleys Messungen an Kugelsternhaufen im Jahr 1918, die so rasch zu einem ganz neuen Verständnis der Milchstraße führten, aber auch zahlreiche noch heute ungelöste Probleme zeitigten, gehören zu den wichtigsten Entdeckungen der Jahre unmittelbar nach dem I. Weltkrieg. Edwin Hubble (1889-1953) gelang mit dem gerade in Dienst gestellten hundertzölligen (254 cm) Spiegelteleskop auf dem Mt. Wilson der erste endgültige Nachweis, dass das Sternsystem der Milchstraße nicht das gesamte Weltall darstellt. Es hatte schon über ein Jahrhundert lang Spekulationen gegeben, dass manche der am Himmel sichtbaren nebligen Objekte selbstständige Sternsysteme außerhalb der Milchstraße sein könnten. Auch hier lieferte die Entfernungsbestimmung mit Hilfe von Cepheiden die Antwort. Hubble veröffentlichte 1926 die Ergebnisse für 400 Systeme, in denen er den Lichtwechsel solcher Veränderlicher gemessen hatte. Daraus ergaben sich große Entfernungen von der Milchstraße. Hubbles Nachweis der extragalaktischen Natur dieser Sternsysteme gehört zu den größten Ereignissen in der Geschichte der Astronomie. Dasselbe gilt für die von ihm wenige Jahre später veröffentlichten Beobachtungen der Beziehung zwischen den Entfernungen dieser Systeme und der Rotverschiebung ihrer Spektrallinien. Indem er diese Verschiebung als Doppler-Effekt auffasste, fand Hubble, dass die Geschwindigkeit, mit der sich diese Systeme von uns entfernen, linear mit ihrer Entfernung zusammenhängt. Damit lieferte er die Beobachtungsgrundlage für die Annahme von der Expansion des Universums im großen Maßstabe.
Als Hubble diese Ergebnisse veröffentlichte, schätzte er, dass man mit der Empfindlichkeit des hundertzölligen Spiegelteleskops 140 Millionen Lichtjahre weit in den Raum vordringen und damit 2 Millionen extragalaktischer Systeme erfassen könne, wobei die Entweichgeschwindigkeit bis etwa 3000 km/Sek. betragen werde. Mit dem neuen englisch-australischen Teleskop in Siding Spring in New South Wales wurden (nach 1975 veröffentlichten Ergebnissen) Systeme erfasst, die mindestens um 5 Größenklassen schwächer sind, als Hubble zugänglich waren. Die Zahl der beobachtbaren extragalaktischen Objekte wird auf 100 Millionen geschätzt. Dabei war immer noch eine Zunahme um das Doppelte oder Dreifache je Größenklasse festzustellen. Manche dieser Objekte sind ungeheuer weit entfernt -Milliarden von Lichtjahren - und entfernen sich von uns mit Geschwindigkeiten, die mehr als die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit betragen.
Die große Erweiterung unseres Wissens über die fernen Regionen von Raum und Zeit im letzten halben Jahrhundert wurden von einer radikalen Berichtigung der Vorstellungen von der Natur des extragalaktischen Systems begleitet. Hubble fand, dass die extragalaktischen »Nebel« in der Hauptsache aus zwei Typen bestehen. Sphärische und ellipsoidische Galaxien ohne oder mit nur wenig Struktur umfassen etwa ein Fünftel der von ihm gemessenen Nebel. Den Rest klassifizierte er bis auf einen kleinen Prozentsatz unregelmäßiger Objekte als Spiralgalaxien und glaubte, dass ein Entwicklungsweg von den elliptischen zu den Spiralsystemen führe. Zweifel hieran entstanden mit der Entdeckung, dass die Sterne in den elliptischen Galaxien zumeist alt sind, während sich in den Spiralarmen junge Sterne befinden. Seit 1950 haben Entdeckungen mit Hilfe von Radioteleskopen den Glauben an eine so einfache, unkomplizierte Entwicklungsfolge zerstört.
Diese neue, beunruhigende Ära der Astronomie begann, als 1951 eine starke Radioquelle im Schwan (Cygnus) mit einem eigenartigen Bild auf einer mit dem Fünfmeterspiegel auf Mt. Palomar gewonnenen Fotografie identifiziert wurde. Die Rotverschiebung dieses schwachen Objekts ergab eine Entfernung von 700 Millionen Lichtjahren, und das Bild erweckte den Eindruck zweier zusammenstoßender Galaxien. In rascher Folge entdeckte man mehr Objekte dieser Art, für die sich bald der Name Radiogalaxien einbürgerte. Es wurde klar, dass enorme Energiebeträge im Spiel sein mussten, und der Gedanke an Zusammenstöße wurde aufgegeben. Ferner ließen Radiountersuchungen mit großer Auflösung erkennen, dass viele Radiogalaxien aus zwei starken Emissionszentren bestehen, die sich über das optische Bild spreizen. So gewann die Ansicht Raum, dass im Kerngebiet dieser Galaxien irgendeine Art von Explosion stattgefunden haben müsse. Die Stärke der Radiostrahlung solcher Galaxien führte zur Identifikation immer noch weiter entfernter Objekte. Als 1959 eine Radiogalaxie im Bootes optisch mit einer Rotverschiebung nachgewiesen wurde, die in 4,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung 40 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht, war ein bedeutender Abschnitt erreicht.
Die Quasare
Die Suche nach noch entfernteren Objekten führte zu einer überraschenden Entdeckung. Objekte, die man aufgrund ihrer Radiomerkmale für besonders weit entfernt hielt, wurden 1960 mit fotografischen Bildern identifiziert, die aussahen, als ob sie von Sternen herrührten. Sie zeichneten sich durch ungewöhnliche Intensität im blauen Spektralbereich aus. Zwei Jahre lang hielt man sie für einen neuen Sterntyp in der Milchstraße. Da gelang 1963 Maarten Schmidt an der Palomar-Sternwarte die Deutung eines ihrer Spektren mit dem Ergebnis, dass es sich keineswegs um nahe galaktische Objekte handele, sondern um solche mit den größten bisher je vorgekommenen Rotverschiebungen. Sie wurden Quasare genannt. Inzwischen kennen wir mehr als 500 Quasare. Die meisten haben Rotverschiebungen, die mehr als der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit entsprechen, in Einzelfällen kommt man sogar zur Größenordnung von 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die Entfernungen, die dafür angenommen werden, hängen von dem kosmologischen Weltmodell ab, das zugrunde gelegt wird. Unter der Annahme, dass die Rotverschiebungen gänzlich von der allgemeinen Ausdehnung des Weltalls herrühren (die noch nicht einstimmig gebilligt wird), sind diese Quasare wahrscheinlich etwa 7 Milliarden Lichtjahre entfernt.
Es ist sehr schwierig, diese Phänomene in den entlegenen Bereichen des Universums zu erklären. Beispielsweise verstehen wir nicht, wie die Quasare ihre gewaltigen Energieabgaben bestreiten, zumal diese Energie vielfach in einem Raumvolumen erzeugt wird, das für astronomische Begriffe ungewöhnlich klein ist. Viele Vermutungen wurden angestellt über das Problem eines Zusammenstürzens von Materie in ihrem eigenen Schwerefeld (sog. Gravitationskollaps) und die Existenz überdichter Materie in den Kernen der Quasare. Es ist erstaunlich, dass Radiogalaxien und Quasare - die zu der Zeit, als Hubble nachwies, dass es überhaupt extragalaktische Objekte gibt, jenseits jedes Vorstellungsvermögens lagen - heute bei unseren Versuchen, das Weltall zu verstehen, eine so entscheidende Rolle spielen.
Entstehung und Entwicklung des Universums
Zumindest hat der mit der Entdeckung von Radiogalaxien und Quasaren erschlossene Weg unsere Erwartung bestärkt, dass wir bald eine Antwort auf die Grundfrage der Kosmologie werden geben können. Das beobachtete Maß der Expansion des Universums scheint darauf hinzuweisen, dass die urtümliche Materie vor etwa 10 Milliarden Jahren in hochverdichteter Form existiert haben muss. In diesem Falle lässt die Möglichkeit, Quasare zu untersuchen, die Rückblick auf eine Zeit gestatten, seit welcher mehr als drei Viertel des »Weltalters« vom Beginn der Expansion bis heute verstrichen sind, die Hoffnung zu, dass die Frühgeschichte des Universums offenkundig werden wird. Die Versuche einer Deutung dieser Ergebnisse im Rahmen der kosmologischen Theorien haben zu einer großen Auseinandersetzung geführt, besonders zwischen den Verfechtern eines stationären und eines sich entwickelnden Universums. Da tauchte unerwartet aus einer ganz anderen Quelle wichtiges und wahrscheinlich entscheidendes Beweismaterial auf. Wissenschaftler der Bell Telephone Laboratories in New Jersey waren 1965 damit beschäftigt, unter Verwendung des amerikanischen Ballonsatelliten Geräte zu prüfen, die für nachrichtentechnische Versuche dienen sollten. Sie fanden heraus, dass die vom Himmel kommenden Signale den erwarteten Störpegel hundertfach an Stärke übertrafen und gleichförmig aus allen Richtungen des Firmaments einfielen, und behaupteten sofort, dass es sich dabei um die Reststrahlung von dem heißen und dichten Urzustand des Universums handle, wie er vor 10 Milliarden Jahren bestanden habe. Dies wurde eindeutig bestätigt durch viele andere Messungen mit Radioteleskopen und Apparaten, die mit Raketen und Ballons in große Höhen befördert worden waren.
Ein besonders hervortretender Zug der Wissenschaft unserer Zeit ist, dass wir jetzt anscheinend ein direktes Zeugnis über den Zustand des Weltalls besitzen, wie er nur wenige Sekunden nach dem Beginn der Expansion gewesen ist, als die Urmaterie eine Temperatur von Milliarden Grad hatte. Die Möglichkeit, dass sich das Universum aus einem dichten Anfangszustand entwickelt haben könnte, war in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie von 1915 mit enthalten, aber der jetzige Beobachtungsbefund zugunsten dieses Anfangszustandes wirft eine ernste Frage auf. Die Singularität, die bei der Lösung der kosmologischen Gleichungen auftritt, welche auf ein unendlich kleines und unendlich dichtes Universum zur Zeit Null führen, wurde oft als mathematische Schwierigkeit angesehen wegen der damit verbundenen Annahme, dass das Weltall gleichförmig wäre. Aber die Messungen der Reststrahlung sprechen jetzt dafür, dass das Weltall tatsächlich ein hohes Maß an Gleichförmigkeit besitzt. Im Rahmen der gegenwärtig anerkannten Gesetze der Physik scheint es möglich, sich einen physikalischen Zustand vorzustellen, bei dem die gesamte Urmaterie mit einem Universum existierte, das nur 10-33 cm (eine Zahl mit 32 Nullen hinter dem Komma) groß war, dieser Zustand soll nämlich 10-43 Sekunden nach dem Beginn der Expansion bestanden haben. Bei dem Versuch einer physikalischen Beschreibung des Beginns der Zeit treffen wir auf eine Schranke in der diesbezüglichen zeitgenössischen Theorie. Das Problem, ob es sich dabei wirklich um eine fundamentale Schranke für die wissenschaftliche Beschreibung des Anfangszustandes des Weltalls handelt, und die damit zusammenhängenden begrifflichen Schwierigkeiten bei der Betrachtung eines einzigen Gebildes am Beginn der Zeit sind Fragen von überragender Bedeutung im modernen Denken.
Die Zukunft des Universums
Während wir die vergangene Geschichte des Universums für viele Jahrmilliarden überblicken können, können wir über seine zukünftige Geschichte nur Vermutungen anstellen. Wird sich das Universum für immer weiter ausdehnen, oder wird es schließlich wieder in einen Zustand hoher Dichte zusammenbrechen? Um diese Fragen zu beantworten, gibt es klare Beobachtungskriterien. Zum Beispiel: Versagt die streng lineare Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung bei großen Entfernungen? Oder: Ist die Dichte des Universums größer oder kleiner als 2 • 10-29 g/cm3? Falls sie größer ist, werden die Gravitationskräfte letztlich die Expansionskräfte überwinden, und das Universum wird zusammenbrechen. Messungen dieser Art sind mit bisher noch nicht überwundenen Schwierigkeiten verbunden, und so kennen wir die Antwort nicht.
Die gewaltigen Fortschritte unseres Wissens vom Weltall hängen damit zusammen, dass es uns ermöglicht worden ist, das Universum in einem weiten Bereich des Spektrums zu untersuchen. Die ersten großen Fortschritte erfolgten unmittelbar nach dem II. Weltkrieg, als die neuen Verfahren der Radioastronomie aufkamen. Dann eröffnete sich mit dem Start von Sputnik 1 (1957) eine neue Ära, als es möglich wurde, wissenschaftliche Instrumente in den Weltraum zu schicken und so die Schwierigkeiten zu vermeiden, die die Absorption in der Erdatmosphäre bereitet. Das ganze Spektrum mit Einschluss der Gammastrahlen, der Röntgenstrahlen und der langwelligen Radiowellen liegt jetzt für die Forschung frei. Schon aus den allerersten Ergebnissen wird deutlich, dass nur eine einzige Vorhersage sicher ist: Unsere künftige Beschreibung des Weltalls und aller seiner Teile wird sich auch weiterhin ständig ändern, so wie es in der Vergangenheit der Fall gewesen ist.
Kategorie: Weltall Nach oben