Astronomisches Grundwissen 1: Nachthimmel, Lichtverschmutzung, Beobachtungen

Dieser Blogbeitrag ist der erste Teil einer zehnteiligen Serie, die astronomisches Grundwissen vermitteln soll. Alle Beiträge auf einen Blick:

  1. Nachthimmel, Lichtverschmutzung, Beobachtungen
  2. Bilder, Spektren, Einfluss der Atmosphäre, Entfernungen
  3. Unser Sonnensystem
  4. Die Sonne und andere Sterne
  5. Das Leben der Sterne
  6. Exoplaneten
  7. Die Milchstraße und andere Galaxien
  8. Kosmische Strahlung, Gravitationslinsen, großräumige Struktur
  9. Kosmische Expansion und Urknall
  10. Galaxienentwicklung, Dunkle Energie und Ausblick

Hintergrund dieser Artikelserie

In einem früheren Blogartikel hatte ich mir über quantitative astronomische Bildung Gedanken gemacht, genauer: über die Frage, was professionelle Astronomen und intensiv astronomieinteressierte Laien an Längen- und Abstandsskalen kennen sollten. Aber wie das so ist: Bei solchen Überlegungen kommt man schnell von einem aufs andere. Ich jedenfalls landete bei der Frage nach dem astronomischen Grundwissen. Darunter kann man natürlich wieder mehrerlei verstehen; ich verstehe darunter:

  • das Grundwissen um astronomische Phänomene, Objekte und Methoden, das man braucht, um Informationen in Zeitungsartikeln zu astronomischen Themen z.B. in der FAZ oder im Spiegel im Einzelnen verstehen und in einen Gesamtzusammenhang einordnen zu können
  • das Minimalwissen, das ein Journalist oder Wissenschaftskommunikator bereits mitbringen sollte, der für einen Artikel zu einem bestimmten astronomischen Thema recherchiert

Um nicht falsch verstanden zu werden: Natürlich kann man einen Astronomieartikel im Spiegel oder in der FAZ auch lesen und seine Grundaussage(n) ohne das hier gebotene Grundwissen verstehen. Aber man kann die Aussagen dort ohne Hintergrundwissen nicht in einen größeren Zusammenhang einordnen, und sicherlich nicht alles an Informationen erfassen, was in solch einem Text geboten wird.

Zwei Beispiele: der Artikel “Planet HD 40307 g: Astronomen bestaunen Super-Erde”, den man nur richtig einordnen kann, wenn man bereits weiß, was Exoplaneten sind, wie sie nachgewiesen werden und warum Astronomen danach suchen, oder “Universum auf Achterbahnfahrt”, in dem zwar durchaus auch eine Reihe von Grundlagen erklärt werden, für den es aber günstig ist, zu wissen, was eigentlich mit der Aussage gemeint ist, das Universum expandiere, was mit der Rotverschiebung gemeint ist, was Supernova-Explosionen sind und überhaupt auf welchen Größenskalen sich solche kosmologischen Phänomene abspielen.

Sprich: Wie andere Arten von Bildung auch hilft astronomisches Grundwissen, weitergehende Informationen zu verstehen, und es stellt gleichzeitig den Rahmen bereit, in dem man neue Informationen zum Thema verorten kann und dessen Ordnung hilft, nützliche Querverbindungen zu erkennen.

Astronomisches Grundwissen

Es gibt weitere Möglichkeiten, astronomisches Grundwissen zu definieren: Zum einen als das, was selbst Menschen, die sich nicht für Astronomie interessieren, über das Fach wissen sollten – dass die Erde ein Planet ist, beispielsweise, wie Tag und Nacht zustandekommen und derlei Dinge mehr. Diese Art von Allgemeinwissen ist in dem hier präsentierten Grundwissen nicht unbedingt enthalten; mir fällt spontan kein astronomischer Zeitungsartikel ein, für dessen tieferes Verständnis man wissen müsste, wie die Jahreszeiten entstehen – obwohl das ganz gewiss Inhalt astronomischen Allgemeinwissens ist.

Zum anderen gibt es verschiedene Varianten professionellen Grundwissens: Was ein Astronomiestudent nach dem Grundstudium, nach dem Bachelorstudium, im Mastersstudium oder was jeder professionelle Astronom wissen sollte. Das geht natürlich weit über den Anspruch dieser Artikelserie hinaus. Nichtsdestotrotz kann das hier präsentierte Grundwissen auch für (beginnende) Studenten der Astronomie nützlich sein, dem Spiralprinzip entsprechend, dem gemäß es günstig ist, sich ein Thema anzueignen, indem man die grundlegenden Konzepte erst auf elementarem Niveau kennenlernt und später auf höherem Niveau wieder besucht – mit dem Vorteil, dann bereits ein Verständnisgerüst zu haben, in das sich die einzelnen Bausteine der Vertiefung sinnvoll einordnen lassen. Mit dem hier präsentierten Grundwissen hat man wahrscheinlich deutlich mehr von astronomischen Einführungsvorlesungen als ohne.

Eine konkrete Anwendung des Spiralprinzips ist auch der Grund, warum ich diese Artikelserie gerade jetzt geschrieben habe und die einzelnen Teile in für dieses Blog ungewöhnlich rascher Folge veröffentliche: am 11. Februar beginnt bei uns am Haus der Astronomie der Blockkurs Astronomie PASTRO für Lehramtsstudenten Physik an der Universität Heidelberg. Ich bin in diesem Kurs für den Überblick über die Astronomie am ersten Tag verantwortlich und habe diesen Text unter anderem geschrieben, um ihn dort als Skript nutzen zu können.

Nach dieser Vorrede nun aber direkt zum Thema:

Superlative und große Fragen

Würde man Wissenschaften nach Masse, Größe, Alter oder Helligkeit ihrer Untersuchungsobjekte beurteilen, dann hätte die Astronomie jeweils die Nase vorn. Die massereichsten, entferntesten, hellsten, größten, ältesten Objekte findet man eben draußen im Weltall. Wobei die Formulierung “draußen im Weltall” ja bereits höchst fragwürdig ist, denn auch unsere Erde ist ein Planet im Weltall; der Kohlenstoff und die weiteren höheren chemischen Elemente, aus denen unsere Körper bestehen, wurden im Inneren von Sternen erbrütet und bei gigantischen Sternexplosionen ins All geschleudert; den Großteil unserer nutzbaren Energie verdanken wir dem uns nächsten Stern, nämlich der Sonne.

Die weit verbreitete Faszination für Astronomie dürfte zum Teil den Superlativen geschuldet sein, und superlativen Objekten wie z.B. Schwarzen Löchern. Weiteren wichtigen Anteil haben die großen Fragen, auf welche die Astronomie Antworten verspricht. Die meisten davon sind Spielarten des berühmten Woher kommen wir? Was sind wir? Wohin gehen wir?, etwa die Frage, wie Sterne und Planeten (wie unsere Erde) entstehen bis hin zur Kosmologie und damit zur Frage nach der Entstehung des Universums als Ganzes. Zum “Was sind wir?” gehört aber auch: Sind wir allein? Gibt es sonst noch Leben im Universum? Planeten wie die Erde? Vielleicht gar intelligentes Leben? Auch zu solchen Fragen hat sich gerade in den letzten rund 15 Jahren in der Astronomie einiges getan. Zum Schluss sind da noch die beeindruckenden Bilder, die die Astronomie als beobachtende Wissenschaft liefert.

Aber sich von diesen Aspekten faszinieren zu lassen ist nur die eine Seite der Medaille. Wie jedes Fachgebiet kann man auch die Astronomie erst mit etwas Grundwissen richtig würdigen. Dazu gehört zum einen das Wissen, worum es sich bei den diversen Himmelsobjekten – von Schwarzen Löchern zu Sternen und Planeten – eigentlich handelt, und darüber, in welchen Kontext diese Objekte gehören. Aber ebenso wichtig ist das Wissen darüber, woher Astronomen eigentlich wissen, was sie wissen. Deswegen fange ich hier erst einmal ganz allgemein damit an, was, wie und unter welchen Bedingungen Astronomen eigentlich beobachten. Und der erste Schritt führt uns dorthin, wo wir wahrscheinlich alle unsere ersten astronomischen Erfahrungen gemacht haben: zum Blick in den Nachthimmel.

Der Nachthimmel und die Rolle der Erde

Von der Erde aus gesehen vereint der Anblick des Himmels scheinbare Unveränderlichkeit mit regelmäßigen Änderungen: Die relativen Positionen der Sterne an der Himmelskugel ändern sich mit der Zeit so gut wie unmerklich. Bereits unsere fernen Vorfahren haben die Punktmuster aus Sternen in Form von Sternbildern erfasst – mit gedachten Verbindungslinien zwischen den hellsten Sternen; zu vielen der Sternbilder existieren Mythen, die erklären, warum dort eine bestimmte Person oder ein bestimmtes Objekt “an den Himmel versetzt” wurde.

Relativ zu irdischen Bezugspunkten ändern die Sterne ihre Position so, als würde sich die Himmelskugel um die Erde drehen. Die einfachste Erklärung dafür ist, dass die Erde um ihre Achse rotiert, die durch Nord- und Südpol geht. Je nach Beobachtungsort sind dabei einige Sterne die ganze Nacht über zu sehen (“Zirkumpolarsterne”); andere gehen auf und wieder unter. Fotografiert man den Himmel mit hinreichend langer Belichtung, dann ergibt sich aufgrund der scheinbaren Bewegung der Sterne eine Strichspuraufnahme wie diese hier (von Nikos Koutoulas aus Kozani, Griechenland):

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Nach ungefähr 24 Stunden hat sich die Himmelskugel einmal um 360 Grad gedreht. Wohlgemerkt: nach ungefähr 24 Stunden: dass sich die Erde nicht nur um sich selbst dreht, sondern gleichzeitig um die Sonne umläuft, führt dazu, dass dieselben Sterne jede Nacht rund 4 Minuten früher auftauschen als in der vorigen. Nach einem Jahr wiederholt sich der Ablauf. Da wir die Sterne nur bei Dunkelheit sehen, führt diese Verschiebung dazu, dass wir einige Sternbilder nur im Winter am Abendhimmel sehen (“Wintersternbilder” wie z.B. den Orion), andere im Frühling (wie z.B. den Löwen), und so weiter.

Auch die Bewegung der Sonne verändert sich im Jahreslauf. Hintergrund ist der Umlauf unseres Heimatplaneten Erde um die Sonne. Im Sommer ist der Nordpol der Erde der Sonne zugeneigt; dadurch trifft die Sonnenstrahlung auf der Nordhalbkugel steiler auf die Erdoberfläche; außerdem steht die Sonne dadurch auf der Nordhalbkugel im Sommerhalbjahr besonders lange über dem Horizont. Beide Effekte zusammen bescheren uns das sommerliche Klima; entgegen eines verbreiteten Irrtums hat der Abstand von Erde und Sonne nichts mit den jahreszeitlich unterschiedlichen Temperaturen zu tun (im Gegenteil: Sonne und Erde sind sich in jedem Jahr am nächsten, wenn auf der Nordhalbkugel Winter ist). Im Winter ist der Nordpol von der Sonne weg geneigt; flacherer Strahlungseinfall und kürzere Tage sorgen auf der Nordhalbkugel für Winter. Winter auf der Nordhalbkugel entspricht Sommer auf der Südhalbkugel, und umgekehrt.

Einige der Lichtpunkte (bei genauerem Hinsehen: Lichtscheibchen) am Nachthimmel verändern ihre Position relativ zum Hintergrund der scheinbar unbeweglichen “Fixsterne”. Das sind die Planeten, Himmelskörper in unserem eigenen Sonnensystem (s.u.).

Die Bewegungen von Sternen, Sonne und Planeten sind dabei sehr regelmäßig. Wo ein Himmelskörper zu einem bestimmten Zeitpunkt am Himmel steht (wie hoch über dem Horizont? im Norden, Osten, Süden, Westen oder wo genau zwischen diesen Haupt-Himmelsrichtungen?) hängt zum einen von festen Gesetzmäßigkeiten, zum anderen vom Standort des Beobachters auf der Erde ab. Im Umkehrschluss haben insbesondere Seeleute astronomische Beobachtungen genutzt um ihre jeweilige Position zu bestimmen.

Lichtverschmutzung

Leider ist der gestirnte Nachthimmel in weiten Teilen der Welt nicht mehr allzu gut zu erkennen. Das Stichwort heißt Lichtverschmutzung: die Aufhellung des Nachthimmels durch künstliche Lichtquellen, die ihre Licht leider nicht nur dahin strahlen, wo es nützlich wäre, sondern auch nach oben. Das stört nicht nur die Astronomen, sondern bringt offenbar auch den natürlichen Rhythmus verschiedener Tierarten durcheinander. Das Engagement gegen Lichtverschmutzung ist daher auch eine Sache des Umweltschutzes.

Die professionellen Astronomen haben sich mit den allermeisten ihrer Beobachtungen längst z.B. aus Deutschland zurückgezogen. Und hoffen, dass ihnen die entlegenen Regionen z.B. in Chile, Spanien oder Arizona, in denen sie ihre Großteleskope errichtet haben, noch möglichst lange möglichst licht-unverschmutzt erhalten bleiben.

Astronomische Informationsträger

Astronomen erforschen den Kosmos, grob gesprochen: alles, was außerhalb der Erdatmosphäre liegt. Dazu fangen sie Licht, mit dem Licht verwandte andere Sorten elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlung aus dem Weltall (kosmische [Teilchen-]Strahlung, Neutrinos) auf und werten sie aus. In einigen Jahren dürften Gravitationswellen als weiterer astronomischer Informationsträger dazukommen.

Zumindest innerhalb unseres Sonnensystems (s.u.) kommen noch die Meteoriten dazu, Gesteins- oder Metallbrocken, die aus dem All auf die Erde fallen und deren chemische Zusammensetzung man bestimmen kann (“Kosmochemie”). Außerdem sind da noch die Daten von Raumsonden, die Beobachtungsziele (Planeten, Kometen, Asteroiden…) direkt anfliegen, zum Teil sogar darauf landen können. Von dieser Ausnahme abgesehen, ist für die Astronomie im Gegenteil typisch, dass sie ihre Beobachtungsobjekte eben nicht aufsuchen kann. Sie kann sie auch nicht manipulieren, wie es bei wissenschaftlichen Experimenten üblich ist. Astronomen müssen nehmen, was da ist.

Elektromagnetische Strahlung, bei den Astronomen pauschal “Licht” genannt, fangen die Astronomen mit Teleskopen auf, die das Licht sammeln und auf hochempfindliche Detektoren leiten.

Um Ordnung in die verschiedenen Sorten von Licht und der entsprechend verschiedenen Sorten von Teleskopen bringen zu können, muss man wissen, dass Licht eine seltsame Doppelnatur hat: zum einen kann man Licht in Lichtteilchen oder Photonen zerlegen, die einzeln auf den Detektor auftreffen. Zum anderen ist Licht ein Wellenphänomen: Jedem Lichtteilchen lässt sich eine Energie und eine damit zusammenhängende charakteristische Länge, die Wellenlänge, zuordnen. Wie beides zusammenhängt, gehört eher zur (quanten-)physikalischen Grundbildung. In der Astronomie reicht es, die Wellenlänge zunächst einmal als Ordnungsschema zu akzeptieren.

Von großer Wellenlänge hin zu immer kleineren Wellenlängen haben wir es dabei zu tun mit: Radiowellen (dabei zu kleineren Wellenlängen hin Millimeter-, Submillimeterstrahlung), Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung (UV), Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.

Teleskope

altModerne Großteleskope für sichtbares Licht sind durchweg Spiegelteleskope, bei denen Licht durch einen konkaven “Hauptspiegel” gebündelt wird (die größeren Arbeitspferde der beobachtenden Astronomen haben heutzutage Spiegeldurchmesser um die 8 Meter; ein Beispiel ist das Teleskop in dem Bild hier rechts: eines der Hauptteleskope des Very Large Teleskope [VLT] der Europäischen Südsternwarte; Bild: ESO) und dann je nach Konstruktion durch verschiedene Arten und Anzahlen weiterer Spiegel und eventuell auch Linsen auf ein Detektorsystem geleitet wird.

Wir hatten schon gesehen, dass sich der Nachthimmel um uns zu drehen scheint. Zur Kompensation dieser scheinbaren Bewegung des Fixsternhimmels muss ein Teleskop, das ein und dasselbe Himmelsobjekt über längere Zeit beobachten soll, nachgeführt werden. Dazu dient eine geeignete präzisionsgesteuerte Montierung.

Die zwei hauptsächlichen Arten von Beobachtungsdaten sind Bilder der Zielobjekte und Spektren ihres Lichts. Zu Spektren später mehr.

Wie detailreich ein Objekt abgebildet werden kann, hängt zum einen von der Größe des Teleskops ab (etwa dem Hauptspiegeldurchmesser eines Spiegelteleskops), zum anderen von der Qualität seiner Optik und außerdem von der Wellenlänge des Lichts, in dem das Bild aufgenommen wird. Hintergrund ist, dass Licht ein Wellenphänomen ist; mit Hilfe elementarer Gesetze der Wellenoptik kann man zeigen, dass die Größe der Öffnung, durch das Licht einfällt, die Kleinheit der Details, die das Teleskop auseinanderhalten kann, prinzipiell begrenzt. Allgemein gilt: Je größer das Teleskop, desto kleiner die prinzipiell noch unterscheidbaren Details; in der Sprache der Astronomen: desto größer das “Auflösungsvermögen” des Teleskops.

Dass Astronomen möglichst große Teleskope bauen, hat damit zwei Gründe: Zum einen lässt sich mit einem großen Teleskop mehr Licht sammeln (“Lichteimer”); das ist wichtig, da astronomische Beobachtungsobjekte in der Regel sehr lichtschwach sind. Zum anderen kann man mit einem großen Teleskop kleinere Details sehen.

Das Auflösungsvermögen hängt nicht nur von der Größe des Teleskops ab, sondern auch von der Wellenlänge, bei der beobachtet wird. Je größer die Wellenlänge des aufgefangenen Lichts, desto schwieriger ist es, kleine Details sichtbar zu machen.

Um beispielsweise im Radiobereich ein genauso detailscharfes Bild zu schießen wie mit sichtbarem Licht, benötigt man ein mindestens 100.000 Mal so großes Teleskop. Zwar sind große Teleskope für Radiowellen dann auch wieder einfacher zu bauen: Auch die Anforderungen an die Genauigkeit, mit der eine Spiegelfläche gefertigt sein muss, um als Teleskop dienen zu können, sinken mit zunehmender Wellenlänge. Die derzeit größten vollbeweglichen optischen Teleskope haben Durchmesser in der Größenordnung 10 Meter; ihre Gegenstücke bei den Radioteleskope, 100 Meter wie das hier gezeigte Effelsberg-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (eigenes Bild):

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Aber im allgemeinen sind auf Radiodaten basierende astronomische Bilder “verwaschener” anzusehen als solche im Bereich des sichtbaren Lichts.

Als Interferometrie bezeichnet man Techniken, mit denen sich zwei oder mehrere Teleskope so zusammenschalten lassen, dass sie zumindest in punkto Detailschärfe wie ein deutlich größeres Teleskop agieren. Auch dieses Zusammenschalten, das die Wellennatur des Lichts ausnutzt, ist bei längeren Wellenlängen einfacher. Radioastronomen praktizieren diese Technik schon seit den 1970er Jahren; im Nahinfrarotbereich war sie, nach einigen Vorversuchen, erst ab den 1990er Jahren einigermaßen ausgefeilt.

Hin zu höheren Energien als denen des sichtbaren Lichts schließt sich die Ultraviolettstrahlung an, die allerdings überwiegend von der Atmosphäre absorbiert wird. Hier helfen Weltraumteleskope wie das Hubble-Weltraumteleskop oder Galex weiter.

Bei noch höheren Energien gelangen wir zur Röntgen- und Gammastrahlung, die allerdings ebenfalls durch die Atmosphäre absorbiert wird. Sie kann man nur durch Weltraumteleskope nachweisen, sowie im Falle der Gammastrahlung außerdem noch anhand der Teilchen, die entstehen, wenn solchermaßen energiereiche Strahlung mit Atomen der Atmosphäre kollidiert (zu dieser Technik in Teil III noch etwas mehr). Das folgende Bild zeigt das ESA-Röntgenteleskop XMM-Newton (Bild: ESA):

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Röntgenstrahlung abzulenken und zu bündeln, wie es zur Erstellung von Bildern nötig ist, ist eine ganz eigene Herausforderung. Man meistert sie z.B. mit Hilfe spezieller Spiegel, auf die das Röntgenlicht streifend einfällt (“Wolter-Teleskope”).

Die Nachweismethoden für die verschiedenen Arten elektromagnetischer Strahlung haben dabei jeweils ihre eigenen Herausforderungen: Die große Genauigkeit, die beim Fertigen von Spiegeln für sichtbares Licht und in noch deutlich größerem Maße für UV- oder gar Röntgenspiegel nötig ist; die Größe der für Radioteleskope erforderlichen Strukturen; der Umstand, dass Infrarotdetektoren gekühlt werden müssen, umso kälter je länger die Infrarotwellenlänge, damit die Wärmestrahlung des Detektors selbst die Aufnahmen nicht überlagert. Daher spezialisieren sich die meisten Astronomen, die im Instrumentenbau tätig sind, bei ihrer Arbeit auf wenige gleichartige Strahlungsbereiche.

Weiter geht es im zweiten Teil der Serie Astronomisches Grundwissen mit Teil 2: Astronomische Bilder, Spektren, Einfluss der Atmosphäre, Entfernungen

 


Ich danke meinen Kollegen Carolin Liefke und Jakob Staude für hilfreiche Anmerkungen zu diesem Text.

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

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