Urknall, Weltall und das Leben. Harald Lesch

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      1.7 Der Intensitätsverlauf einer Lichtquelle. Misst man beispielsweise in einem Abstand r die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde auf eine Leinwand der Größe A fallen, so ist für dieselbe Anzahl im doppelten Abstand die vierfache und in dreifachem Abstand die neunfache Fläche nötig.

      Gaßner: Vorausgesetzt wir wissen, wie stark die Strahlung direkt am Lagerfeuer beziehungsweise unmittelbar an der Sternenoberfläche ist. Henrietta Leavitt gelang der Durchbruch. Mit der Berechnung der Cepheiden-Leuchtkraft standen standardisierte Leuchtfeuer in bis zu zehn Millionen Lichtjahren Entfernung zur Verfügung. Bevor sie ihre Theorie entwickelt hatte, waren Entfernungsmessungen auf hundert Lichtjahre begrenzt. Damals war man sich nicht einmal sicher, ob die Magellanschen Wolken oder die Andromeda-Galaxie zur Milchstraße zählen oder nicht.

      Lesch: Leavitt hatte eigens ein neues Messverfahren entwickelt, das leider nicht nach ihr benannt wurde, sondern die Bezeichnung Harvard-Standard erhielt. Frauen hatten Anfang des letzten Jahrhunderts noch einen sehr schweren Stand in der Wissenschaft.

      Gaßner: Erst Jahre später wollte das Nobelpreis-Komitee ihre bahnbrechenden Leistungen würdigen; am Ende hatte sie mehr als 2.400 veränderliche Sterne entdeckt und vier Supernovae beobachtet. Allerdings war Henrietta Leavitt bereits vier Jahre vor ihrer geplanten Nominierung im Alter von 53 Jahren an Krebs verstorben und posthum wird die Auszeichnung bekanntlich nicht verliehen. Wie gesagt, sie war in jeder Hinsicht eine wahrlich tragische Figur. Angesichts der strahlenden Entdecker in der Naturwissenschaft vergisst man nur zu leicht die vielen Einzelschicksale im Hintergrund.

      Lesch: Apropos strahlender Entdecker – damit wären wir wieder bei Edwin Hubble. Der hat zusätzlich zur Entfernung auch die Fluchtgeschwindigkeit der Objekte bestimmt. Dafür müssen wir einen Blick in die Waschküche der Spektralanalyse werfen. Die Atome der verschiedenen chemischen Elemente geben Strahlung in ganz gewissen Portionen ab, die durch die Energieniveaus in der Elektronenhülle genau definiert sind. Diese Spektrallinien sind gewissermaßen ihr Fingerabdruck, der sich für jede Atomsorte im irdischen Labor messen lässt.

      1.8 Die Emissionslinien von Wasserstoff und Helium als charakteristische Fingerabdrücke.

      1.9 Dargestellt ist ein Atom vor und nach dem Übergang eines Elektrons von einer (der dritten) auf eine andere (die zweite) Bahn um den Atomkern.

      Elektronen auf höheren Bahnen besitzen mehr Energie, entsprechend wird die Differenz beim Übergang in Form eines Photons (Emissionslinie) freigesetzt. Dabei entspricht jede Wellenlänge einer bestimmten Energie. Kurze Wellenlänge bedeutet hohe Energie, große Wellenlänge bedeutet niedrige Energie.

      Den umgekehrten Vorgang, bei dem Atome aus einem vorgegebenen Spektrum Energie entnehmen, um sie in ihrer inneren Struktur zu verteilen, nennt man Absorption. Dabei wird beispielsweise ein Elektron auf eine höhere Bahn ausgelenkt. Die entsprechende Energie fehlt anschließend im Ausgangsspektrum. Diese charakteristischen schwarzen Linien nennt man Absorptionslinien.Emissions- und Absorptionslinien werden unter dem Oberbegriff „Spektrallinien“ zusammengefasst.

      Gaßner: Die Wellenlängen der Spektrallinien weit entfernter Objekte sind gegenüber unseren Laborwerten aber verschoben. Daraus leiten wir eine sogenannte Fluchtgeschwindigkeit her, wobei wir noch sehen werden, dass man hier mit dem Begriff „Geschwindigkeit“ sehr vorsichtig umgehen muss.

      1.10 Oben ist das Spektrum unserer Sonne dargestellt, unten die Spektrallinien des eine Milliarde Lichtjahre entfernten Superhaufens BAS11. Die Linien weit entfernter Objekte sind gegenüber den Referenzlinien aus den irdischen Labors verschoben.

      1.11 Für eine ruhende Strahlungsquelle (links) erhält man eine Kugelwelle um den Mittelpunkt, wobei jeweils der Abstand zwischen zwei konzentrischen Kugelschalen die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts kennzeichnet.

      Bewegt man die Strahlungsquelle kontinuierlich nach rechts, erhält man das rechte Bild. In Bewegungsrichtung sind die Wellenlängen verkürzt (blauverschoben), entgegengesetzt sind sie gedehnt (rotverschoben).

      Lesch: Wenn ein Kranken- oder Polizeiwagen mit Sirene an uns vorbeifährt, hören wir diesen sogenannten Dopplereffekt. Die Frequenz beziehungsweise die Tonhöhe des Signals ist erhöht, bis das Fahrzeug auf gleicher Höhe mit uns ist. Entfernt es sich von uns, fällt sie sprunghaft auf ein tieferes Niveau ab. Der Österreicher Christian Doppler hat das bereits 1842 vorausgesagt. Natürlich wusste er damals noch nichts von Martinshörnern auf Autos.

      1.12 Die Relativbewegung einer Lichtquelle (Stern) bewirkt eine Rotverschiebung, wenn sich die Quelle vom Beobachter entfernt und eine Blauverschiebung bei Annäherung.

      Gaßner: Aber wieder zurück zu Edwin Hubble. Mit Hilfe der theoretischen Leuchtkraft der Cepheiden, der zugrundeliegenden Theorie und der Verschiebung der Spektrallinien konnte er nun Punkt für Punkt Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit der beobachteten Objekte in einem Diagramm zusammentragen. Anhand ähnlicher Beobachtungen hatte Georges Lemaître bereits 1927 erkannt, dass sich weit entfernte Objekte tendenziell von uns wegbewegen. Damit hatte er dem etablierten Weltbild eines ewig statischen Universums bereits einen empfindlichen Wirkungstreffer verpasst. Edwin Hubble legte nun ein Lineal an und zeichnete durch seine Messpunkte eine Gerade in sein Diagramm – einen linearen Zusammenhang zwischen Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit. Gewissermaßen ein kurzer Strich für einen Menschen, aber eine lange, zukunftsweisende Linie für die Naturwissenschaft!

      Lesch

      Das hast du schön gesagt! Wie viele Punkte hatte Hubble denn in diesem Diagramm?

      Gaßner: So drei Dutzend würde ich mal sagen und die waren ziemlich unregelmäßig verteilt.

      1.13 Das Hubble-Diagramm: Horizontal ist die Entfernung der Objekte aufgetragen; vertikal die Fluchtgeschwindigkeit (korrigiert um die Eigenbewegung unseres Sonnensystems).

      Schwarze Punkte: Objekte, die individuell gemessen wurden.

      Kreise: Nebel, deren Objekte nicht individuell aufgelöst werden konnten.

      Kreuz: mittlere Geschwindigkeit von 22 Nebeln, deren Abstände nicht einzeln ermittelt werden konnten.

      Die gestrichelte Linie ergibt sich unter Berücksichtigung der Kreise. Die durchgezogene Linie approximiert die schwarzen Punkte. Die Steigungen beider Geraden sind aus heutiger Sicht falsch. Die grundlegende Idee einer Geraden war jedoch bahnbrechend.

      Lesch: Ein starkes Stück. Hubble hatte den Mut, durch eine Wolke von Punkten einfach mal einen Strich zu ziehen und dann zu sagen: „So!“ Ein mutiger Mann, Preisboxer eben.

      Gaßner: СКАЧАТЬ