Wolfgang Korsus Dipl.-Ing.NT, Astrophysiker
Klingenberg 40
D-25451 Quickborn
Mobil 01625680456
Website : wolfgang.korsus.net
einfache Frage : Warum ist der Himmel nachts Dunkel ?
Diese Frage kann man sich stellen, aber ich werde mich hüten „diese“ Frage zu stellen! Nur dieses Thema sollte jeder wissenschaftliche Betrachter des Universums und seinem Aufbau sich einmal zumindest zu Gemüte führen.…und dann vielleicht verschmitzt lächeln
Es ist ein scheinbares Paradox und wird heute nach Heinrich Olbers benannt, einem deutschen Astronomen. Er war nicht der Erste, dem die Sache auffiel; denn schon Kepler hatte das bemerkt und daraus geschlossen, dass die Folge der Sterne nicht unendlich sein kann. Ein Beispiel wo man an das Problem auch denken kann ist folgendes :
Stellt Euch mal etwas einfaches vor, nämlich einen riesig dichten Wald, unendlich ausgedehnt. ( Amazonas ) Wohin Ihr auch blickt, trifft eure Sicht halt auf einen Baum. Na… !?
Im Jahr 1823 hat Olbers die Voraussetzungen für «sein» Paradox klar zusammengefasst:
– Das Universum ist in jeder Richtung unendlich und hat schon immer in seiner jetzigen Form existiert.
– Die Sterne sind in gleicher Dichte im Universum verteilt, existieren schon immer und haben eine vorgegebene Größe und Helligkeit.
Eine Festlegung ganz besonderen Art und Weise… ! ?
Unter diesen Voraussetzungen, so ist mein Schluss, müsste der ganze Himmel so hell sein wie ein typischer Stern und es dürfte nachts nie dunkel werden. Also sage ich, da stimmt „etwas“ nicht und zwar ganz und gar nicht. Und das vorher genannte „Etwas“ bringt uns verdammt schnell zur modernen Kosmologie und auch zu ihren Vorstellungen über den Beginn des Universums….. und das sagt…..
Also sei das Alter des Universums begrenzt, auch alles hat mit einem „Urknall“ vor soundsovielen Jahren begonnen, dann ist das für uns heute sichtbare Universum von endlicher Größe, denn das Licht hat ja schließlich nur diese Jahre gehabt um uns zu erreichen. Diese Abstände und Zeiten sind halt gewaltig, nur…. unendlich sind sie nicht.
Ebenfalls stelle ich fest, dass die Sterne irgendwann nach dem Urknall entstehen mussten, so das ihre Zahl auch endlich ist. ….das begrenzte Alter des Universums gibt uns dann nur Einblick in einen endlichen räumlichen Teil des Ganzen, und in diesem Teil können seit dem Urknall halt nur eine endliche Anzahl von Sternen entstanden sein.
Darum sage ich, der Himmel ist nachts dunkel, wie soll es denn sonst sein…….also Herr Olbers, da wir wissen das die Lichtgeschwindigkeit endlich ist sowie der „Urknall“ auch irgendwann der Weltbeginn war, so sind diese Annahmen ganz einfach mindestens weiterführend !
Jetzt muß die Frage folgen, aber wie können wir uns überzeugen, dass diese Vorstellungen wirklich die RIchtigen sind?
Es geht also um den Ursprung der Welt und selbst die Frage, ob sie einen Ursprung hat – all dies wird noch heute viel diskutiert in Wissenschaft, Philosophie und „Religionen“. Es bestehen halt zwei Hauptgründe, weswegen die meisten Wissenschaftler heute die Urknalltheorie für richtig halten – jetzt sage ich : nicht so hastig gehen wir die Thematik bedeutend langsam an, Schritt für Schritt und noch ein Schritt.
Ich beginne mit theoretischer Zeitlupe und die ist folgende :
Ein recht bekannter Effekt der Alltagsphysik ist z.B. die „Tonverschiebung“ bei einer bewegten Tonquelle. Kennt sicher Jeder der sich ein Autorennen selbst angeschaut hat. Der Motorenklang eines Formel 1 Rennwagens ist höher, wenn das Fahrzeug auf uns zukommt, und wird dann niedriger, wenn er wegfährt; es entsteht beim Vorbeifahren ein…..ich nenne ihn mal „Tonflip“. In der Physik bezeichnet man den Vorgang als Doppler-Verschiebung, besser „Effekt“. Einfach benannt nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler. Was hört man da ? Ja, der gehörte Ton entsteht wie wir wissen durch Schallwellen, die eine gewisse Wellenlänge haben und wenn die Tonquelle also auf uns zukommt, wirkt die Welle wie gequetscht, denn der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen verkürzt sich und das bedeutet eine Erhöhung des Tons. Was geschieht bei einer sich entfernenden Tonquelle …..das Gegenteil. Ein derartiger Doppler-Effekt tritt nicht nur bei Schallwellen auf, sondern auch bei Lichtwellen.
Das bedeutet dann, man kann ebenfalls etwas messen, nämlich ob sich ein bestimmter Stern von uns aus gesehen bewegt. Sterne, wie viele wissen emittieren ( Elektronen) . Licht bestimmter Wellenlängen und zwar mit sogenannten Spektrallinien, und wenn diese verschoben erscheinen, muss sich naturgemäß der Stern bewegen.
Also zum Wiederholen nochmals.
Kommt der Stern auf uns zu werden die Wellenlängen kürzer(also Blauverschiebung)
…………. der Stern entfernt sich……….werden die Wellenlängen länger(also Rotverschiebung)
Je schneller er sich bewegt, desto größer ist die Verschiebung !
Jetzt kommt’s : Schon in den 1920er Jahren beschäftigte sich der Astronom „Edwin Hubble“ am Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien mit Licht und zwar sehr ferner Sterne. Eine umfangreiche Erforschung startete….
Er hatte dabei bereits klare Rotverschiebungen gemessen; selbstverständlich war bekannt, dass sich diese Sterne von uns entfernen. Doch Hubble machte nun eine weitere überraschende Entdeckung. Sie entschwinden um so schneller je weiter entfernt sie sind.
Es darf erwähnt werden die bekannte Doppler-Verschiebung und das heißt ebenfalls auch die Sterngeschwindigkeit, waren problemlos messbar. Aber es gab eine Schwierigkeit in der Bestimmung der Entfernung der beobachteten Sterne, Relativ nahe gelegener Himmelskörper, wie etwa Planeten, zu messen, war einfach. Die Parallax-Methode wurde bisher verwendet. Auch Cassini und Richer hatten die Entfernung zwischen Erde und Mars mit dieser Methode berechnet, alle Achtung.
Nur jetzt wurde es Zeit bei sehr fernen Sternen eine andere Methode anzuwenden.
Aber bei den fernen Sternen, die Hubble im Visier hatte, war der Parallaxenwinkel viel zu klein für irgendwelche Messungen. Hubble kam recht schnell auf eine Lösung auf recht einfache Weise. Er wußte die Helligkeit einer Lichtquelle nimmt ab, je weiter entfernt sie ist und da das Licht sich kugelförmig von seiner Quelle ausbreitet, fällt demnach auf eine gegebene Fläche mit zunehmendem Abstand immer weniger Licht.
Weiter gehts : Ich bezeichne den Abstand zur Lichtquelle mit d, daraus folgt die Kugeloberfläche nimmt dann mit d 2 zu. Das einfallende Licht pro Flächeneinheit wie 1/d 2 infolge dessen abnimmt.
Also kann man daraus schließen :
Wenn wir die Ausgangshelligkeit einer Quelle kennen und ebenfalls die bei einem gewissen (zunächst unbekannten) Abstand gemessene Helligkeit, dann wird der Helligkeitsunterschied bestimmt durch die Entfernung d .
Als nächstes widmen wir uns dem Ausdruck „Referenzkerzen“. Was ist denn das wieder ?
Hubble hatte die Helligkeit von ganz bestimmten Sternen gemessen. Das waren die Cepheiden, sie waren gerade kürzlich gemessen worden. Die Astronomen machten daraus die….na was ! „Die Referenzkerzen“…..und das wurde durch die Messung ihrer relativen Helligkeit in seinem Observatorium am Mount Wilson erzielt, somit erhielt Hubble auch eine gute Abschätzung ihrer Entfernung. – Er stellte fest dass ihre Fluchtgeschwindigkeit v mit größer werdendem Abstand d von der Erde zunahm. (Siehe weitere Einzelheiten in meiner kurzen Anmerkung X2 (etwas später)
Aus allen Überlegungen und deren Berechnungen entstand dadurch das Hubble’sche Gesetz v = H 0 d , mit der wiederum als Hubble-Konstante bezeichneten Skalenfestlegung H 0 .
Betrachten wir den damalig ergebenen Wert so läßt sich feststellen er ist aus heutiger Sicht etwas ungenau nur was nicht vergessen werden darf, allein die Idee von Hubble ist vollkommen korrekt und viel wichtiger ist die Tatsache der Veränderung unseres Weltbildes.
Hubble hörte nicht auf Sterne zu beobachten. Es läßt sich sagen, wohin Hubble auch blickte, die Sterne entschwinden, es entstand die Ansicht: explodiert etwa das ganze Universum ? Diese Ansicht führte dann zu einer weiteren Frage : War das möglich? Oder ist sowas unmöglich ?
Ich stelle heute die Behauptung auf : Das war ein idealer Zeitpunkt, denn so im Jahr 1916 erschien schon Albert Einsteins neue, ja neue allgemeine Relativitätstheorie.
Hubbles Entdeckung erfolgte zu einem idealen Zeitpunkt, etwas später. Nur wenig vorher, im Jahre 1916, war Albert Einsteins neue allgemeine Relativitätstheorieerschienen, die einfach ausgedrückt die die Auswirkungen der Schwerkraft mit der Natur von Raum und Zeit verband. Dazu eine Aussage die zum nachdenken zwingt. Ich lasse „ein beliebiges rundes Ding“ am Band kreisen , wobei die Spannung des Bandes eben die Zentrifugalkraft kompensiert. Nun betrachten wir nur die Ballbewegung, und schon könnte ich auch zu dem Schluss kommen, dieses runde Ding, nenne wir es halt Ball, bewegt sich frei auf einer gekrümmten Bahn.
Jetzt zwingt mich diese Denkart zu meinen das die Rolle der Kraft sich durch eine Art Raumkrümmung ersetzen läßt. Denn Einsteins Theorie sagt aus, dass in der Nähe von sehr massiven Himmelskörpern, wie etwa der Sonne, der Raum von der Schwerkraft derartig deformiert wird, dass selbst ein Lichtstrahl von seinem geraden Pfad abweicht. Seine Vorhersage wurde 1919 in einem heute sehr berühmten Experiment getestet und bestätigt.
Es war der englische Astronom Arthur Eddington, der mit seinen Mitarbeitern zeigte, dass dicht an der Sonne vorbeifliegendes Sternenlicht in der Tat um genau den von Einstein berechneten Betrag abgelenkt wurde.
Der Versuch fand natürlich bei einer Sonnenfinsternis statt.
Einstein wurde selbstverständlich durch diese Feststellung schlagartig weltberühmt.
Zu erwähnen ist noch unbedingt die Aussage der Allgemeinheit zur Zeit als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie aufstellte. Man hielt das Universum für statisch; denn man dachte (noch) nicht an die Möglichkeit einer Expansion oder Kontraktion.
Einstein wußte das und schon legte er los und dachte nach. Er benötigte halt jetzt irgendeine Kraft, die die anziehende Wirkung der Schwerkraft einfach kompensierte. Unmittelbar vielen ihm keine Kandidaten ein und selbst bis heute gibt uns „Astros“ das Problem noch einige Rätsel auf. Wie schon erwähnt, Einstein legte los, aber mit wenig Begeisterung. So entstand eine « Lösung» ?! Ihr merkt, es fällt mir nicht so leicht dazu Stellung zu nehmen. Er begann seinen ersten Vorschlag auszubreiten und das war die Einführung einer mysteriösen «kosmologischen Flüssigkeit». Diese sollte den ganzen Raum ausfüllt und durch ihren Druck die Schwerkraft ungefähr kompensieren.
Aber das ist zu wenig, die Beschreibung der Kriterien geht weiter….. Diese Flüssigkeit musste noch recht seltsame Eigenschaften haben …..sie durfte keinen Vorgang im Universum beeinflussen, außer der Schwerkraft, sodass sie für alle anderen Messungen unbeobachtbar blieb. Ihr Druck und damit ihre Dichte mussten hundertprozentig präzise festgelegt sein, um die Schwerkraft genau zu kompensieren.
Wie eigentlich bekannt ähnelt das Erwähnte in gewissem Sinne, aber dem einer neuen Form von Äther und damit war diese Aufstellung Einstein besonders unerwünscht und vielleicht sogar „peinlich“ . Also mußte eine neue Bezeichnung her und so hat hat er dann später die Einführung diese heute als kosmologische Konstante bezeichneten Größe als den größten Schnitzer seines Lebens bezeichnet. Wäre, hätte, Fahrradkette, möchte man da sagen. Seine ursprünglichen Gleichungen ohne kosmologische Konstante, hat dagegen eine Expansion des Universums vorhergesagt. Das „hätte“ dann noch bevor sie dann von Hubble entdeckt wurde, statt gefunden.
Heutzutage ist man gerade unter Kosmologen nicht so ganz sicher, ob diese Größe wirklich ein Fehler war. Denn die „dunkle Energie“ , zu der ich ein Weilchen später noch kommen werde, ist so etwas wie eine Auferstehung von Einsteins kosmologischer Konstante.
Noch wichtig anzuführen ist die Tatsache, das im Jahr 1922 dann der russische Theoretiker Alexander Friedmann nachwies, dass die allgemeine Lösung von Einsteins Gleichungen sehr wohl expandierende Universen beschreibt. Aber bleiben wir bei Hubble er fand schließlich seine Expansion, jetzt stand alles bereit. Es folgt das nächste Kapitel……..