Einführung in die Astronomie

Schon die frühsten Kulturen bauten Observatorien, beschrieben Sternbilder und richteten ihren Tagesablauf nach dem Willen der Götter, den sie aus den Stellungen der Sterne und Planeten am Himmel abzulesen glaubten.

Heute wissen wir dank moderner Technik mehr als jemals zuvor über die Himmelskörper in diesen dunklen, kalten Weiten.

Der Massstab des Universums

Das Universum ist unvorstellbar gross. Die Distanzen, die zwischen den Objekten am Himmel liegen, sprengen jedes menschliche Vorstellungsvermögen. Bereits die Strecke zum Mond, dem nächsten aller Himmelskörper, ist gewaltig: rund 384 000 km. Kein Auto fährt in der Regel so weit, doch würde man diese Strecke mit einem Auto bei 120 km/h zurücklegen wollen, würde man rund 4 Monate brauchen - ohne jemals anzuhalten, versteht sich.
Geht man über den Mond hinaus, werden die Distanzen schnell sehr viel grösser: die Distanz zu unseren Nachbarplaneten beträgt bereits dutzende von Millionen Kilometern, bis zur Sonne sind es 150 Millionen Kilometer, zum äussersten Planeten des Sonnensystems, Neptun, sind es bereits rund 4.5 Milliarden Kilometer. Und zum nächsten Stern müssten bereits rund 40 Billionen (eine Billion = 1000 Milliarden = 1 Million Millionen) Kilometer zurück gelegt werden.
Da diese grossen Zahlen äusserst unpraktisch sind, wurden Längenmasse erfunden, die so gross sind, dass man mit ihnen Strecken im Weltraum vernünftig messen kann. Die Strecke selbst kann man sich dann zwar immer noch nicht so richtig vorstellen, doch man kann zumindest Vergleiche heran ziehen, die uns näher liegen als die scheinbar sinnlose Aufzählung von Nullen.
Das kleinste astronomische Längenmass ist die sogenannte "Astronomische Einheit", AE oder englisch AU (Astronomical Unit). 1 AU entspricht der Entfernung der Erde zur Sonne, rund 149 600 000 Kilometer oder grob 150 Millionen Kilometer. Damit lässt sich zumindest schon einmal im Sonnensystem arbeiten: Jupiter ist dann im Schnitt 5.2 AU von der Sonne entfernt, Neptun rund 30 AU.
Doch betrachtet man nun die Distanz bis zum nächsten Stern, wären wir bereits wieder bei 270 000 AU... der nächste Stern ist also rund 270 000 mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Für Entfernungen zwischen Sternen wurde deshalb noch ein weiteres Längenmass eingeführt: das Lichtjahr. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurück legt. Da das Licht sehr schnell unterwegs ist (rund 300 000 km pro Sekunde, also zum Beispiel in einer guten Sekunde von hier zum Mond...), legt es in einem Jahr eine gewaltige Strecke zurück: rund 9.6 Billionen Kilometer oder rund 65000 AU. Diese gewaltige Strecke schrumpft nun zusammen auf "1 Lichtjahr". Im interstellaren Raum, das heisst, im Raum zwischen den Sternen, lässt sich nun damit gut arbeiten: der nächste Stern ist rund 4.2 Lichtjahre entfernt, der helle Stern Sirius rund 8.7 Lichtjahre und der Polarstern rund 430 Lichtjahre.

Der Aufbau unseres Universums

Die Erde kreist als einer von acht mehr oder weniger grossen Planeten um unseren Stern, die Sonne. Die Sonne ist ein mittelgrosser Stern, es gibt Sterne, die bis zu 200 mal schwerer (und grösser) sind, als auch solche, die bis zu 10 mal leichter (und kleiner) sind als die Sonne. Doch da die leichten Sterne viel häufiger sind als die schweren, kann man sagen, dass die Sonne schwerer ist als rund 90% aller Sterne, die es gibt. Diese vielen kleinen, leichten Sterne leuchten aber so schwach, dass wir sie von Auge kaum erkennen können - die meisten Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, sind gleich gross oder grösser als die Sonne, denn nur sie haben die nötige Leuchtkraft, um auch noch vielen in Lichtjahren Entfernung hell und klar zu strahlen.
Die Sonne ist also nur einer von rund 100 Milliarden Sternen in unserer Galaxie. Eine Galaxie ist eine Ansammlung von Sternen, die die Form einer Scheibe mit Spiralarmen, einer Kugel oder eines Ellipsoids (einer etwas abgeplatteten Kugel) annehmen oder gar eine ganz wilde, "irreguläre" Form haben kann. Die Milchstrasse, so der Name unserer Galaxie, hat die Form einer flachen Scheibe mit mindestens vier Spiralarmen. In der Mitte ist diese Scheibe nach oben und unten etwas "ausgebeult". Die Scheibe hat alles in allem einen Durchmesser von rund 100 000 Lichtjahren und eine Scheibendicke von etwa 1000 Lichtjahren, in der Mitte ist sie wegen der Ausbeulung vielleicht 2000 Lichtjahre dick. Dazu wird die Scheibe noch von einigen hundert kugelförmigen Sternhaufen und einigen wenigen kleineren Galaxien umkreist. Die meisten Sterne befinden sich im Zentrum oder in den hellen Spiralarmen, einige aber, wie die Sonne, befinden sich zwischen den Spiralarmen. Die Sonne ist etwa 30'000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt. Alle Sterne kreisen um das Zentrum der Milchstrassengalaxie (wie die Planeten um die Sonne), die Sonne braucht dafür etwa 250 Millionen Jahre. Als die Sonne sich das letzte Mal an diesem Ort befand, wo sie heute ist, waren die Dinosaurier gerade erst enstanden...
Die Milchstrasse kann man auch von Auge sehen: sie zieht sich in klaren Nächten als helles Band (etwa von der Breite einer gestreckten Hand) über den Himmel. Dies ist die Scheibe unserer Galaxie, von der Seite her gesehen. Da die Sonne sich mitten in der Scheibe befindet, sehen wir diese Scheibe "von innen". In einem guten Feldstecher oder in einem kleinen Fernrohr lässt sich dieses helle Band in unzählige kleine Sterne auflösen.
Grosse Galaxien wie die Milchstrasse gibt es unzählige im Universum, in dem Bereich des Universums, den wir sehen können, sind es schätzungsweise rund 100 Milliarden. Die nächste grosse Galaxie, die "Andromeda-Galaxie" oder auch "Andromeda-Nebel" genannt, ist rund 2 Millionen Lichtjahre von uns entfernt - also etwa 70 mal weiter entfernt, als die Sonne vom Zentrum der Milchstrasse. Der Andromeda-Nebel kann in klaren Nächten sogar von Auge gesehen werden - das "älteste" Licht, das wir von Auge überhaupt sehen können.
Galaxien schweben nicht alleine durchs Universum, sondern gruppieren sich zu kleineren und grösseren Haufen. Die Milchstrasse, die Andromeda-Galaxie und der Dreiecksnebel (eine weitere grosse Galaxie) bilden mit rund zwanzig weiteren, aber kleineren Galaxien die sogenannte "Lokale Gruppe". Die Lokale Gruppe ist Teil eines grösseren Galaxienhaufens, den man den Virgo-Haufen nennt und dessen Zentrum rund 50 Millionen Lichtjahre entfernt liegt. Der Virgo-Haufen ist wiederum Teil eines gewaltigen "Superhaufens" mit zehntausenden von Galaxien, dem Virgo-Superhaufen. Der Virgo-Superhaufen hat einen Durchmesser von rund 200 Millionen Lichtjahren.
Spätestens hier ist die Einführung des grössten Längenmass der Astronomie angebracht: dem Megaparsec. Ein Parsec ist wie das Lichtjahr eine Längeneinheit von etwa 3.26 Lichtjahren, die aber praktisch nur in der Wissenschaft verwendet wird. Ein Megaparsec sind eine Million Parsecs, also rund 3.26 Millionen Lichtjahre. Damit lässt sich die Ausdehnung des Virgo-Superhaufens auch mit rund 60 Megaparsec angeben.
Die Superhaufen des Universums reihen sich wie Girlanden nebeneinander auf und umschliessen dabei riesige, Bereiche ohne Sterne oder Galaxien. Millionen von Superhaufen bilden so ein dichtes Netz, das das ganze bekannte Universum durchspannt.

Die Ausdehnung des Universums und der Urknall

Im frühen 20. Jahrhundert erkannte der amerikanische Astronom Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Weltraumteleskop benannt ist), dass sich das Universum ausdehnt. In welche Richtung man auch schaut, überall scheinen die Galaxien von uns wegzuwandern. Je weiter entfernt sie sind, desto schneller tun sie das. Die einzige Erklärung für diese seltsame Beobachtung ist: das Universum dehnt sich aus. Die Galaxien selbst bewegen sich zwar etwas untereinander, doch diese "Eigenbewegung" hat nichts mit der Ausdehung des Universums zu tun - die Galaxien entfernen sich nicht, weil sie weggeschleudert wurden, sondern weil sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt.
Es mag etwas seltsam sein, sich vorzustellen, dass "der Raum" sich einfach so ausdehnen kann. Der Raum ist eben nicht einfach "Nichts". Nach Einsteins Relativitätstheorie lässt sich der Raum als "Raumzeit-Kontinuum" beschreiben, das als Medium für die Ausbreitung des Lichts dient und das sich - etwa durch die Anwesenheit von Massen - verformt. Die Gravitationskraft (oder Schwerkraft), die uns hier auf der Erde hält, ist nach dieser Theorie eine Kraft, die nur deshalb zustande kommt, weil die Masse der Erde den Raum so krümmt, dass eine Kraft in Richtung Erde entsteht.
Doch zurück zum Raum - dieser dehnt sich also aus, langsam aber sicher: etwa 70 km/s pro Megaparsec, das heisst, eine Galaxie, die rund 3.26 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, bewegt sich aufgrund der Ausdehnung des Raumes mit rund 70 km/s von uns weg (man rufe sich in Erinnerung, wie klein 1 km im Universum ist, erst recht verglichen mit diesen 3.26 Millionen Lichtjahren...). Eine Galaxie, die doppelt so weit, also 6.52 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, würde sich dann auch doppelt so schnell, also rund 140 km/s von uns entfernen, und so weiter.

Doch diese Bewegung lässt sich ja auch zeitlich umkehren - wo waren die Galaxien früher? Sie lagen damals, als der Raum sich noch nicht so stark ausgedehnt hatte wie heute, noch näher zusammen - und je weiter man in die Vergangenheit zurück kehrt, desto kleiner wird das Universum. Vor rund 13.7 Milliarden Jahren sind wir bei einem punktförmigen Universum ohne Ausdehnung angelangt - dem Urknall. Damals entstand unser Universum - an den genauen Umständen wird heute geforscht.

Das beschleunigte Universum - und eine mysteriöse Energieform

Kurz vor der Jahrtausendwende machten britische Astronomen eine aussergewöhnliche Entdeckung: sie bemerkten bei der Beobachtung ferner Sternexplosionen, dass der Wert 70 km/s pro Megaparsec nicht immer gegolten hatte - früher hatte sich das Universum langsamer ausgedehnt - und in Zukunft wird es sich immer schneller ausdehnen. Das Universum expandiert also immer schneller. Auch an den Gründen dafür wird geforscht. So gibt es Untersuchungen, die zeigen, dass rund 68% aller Energie, die es überhaupt im Universum gibt, in einer Energieform vorliegt, von der wir keine Ahnung haben. Diese mysteriöse Energieform wird heute "dunkle Energie" genannt. Von den restlichen 32% Energie des Universums sind rund 28% in Form einer exotischen, bisher nie beobachteten Materieform gespeichert, die man "dunkle Materie" nennt. Nur 4% aller Energie des Universums ist in der uns bekannten Materieform gespeichert und bildet Sterne, Gaswolken und Planeten (Materie ist gemäss Einsteins berühmter Formel E=mc^2 eine Form von Energie. In jedem Kilogramm Masse m steckt demnach die Energiemenge E, die man erhält, wenn man die Masse m mit c^2, also der Lichtgeschwindigkeit in m/s (ca. 300 000 000) im Quadrat multipliziert. Da c^2 eine sehr grosse Zahl ist, ist die Menge an Energie, die in einem Kilogramm Materie steckt, wirklich gewaltig).

Was wird mit dem Universum geschehen? Woraus bestehen die 96% der Energie des Universums, die wir heute nicht verstehen? Was waren die genauen Umstände des Urknalls? Wird man je eine physikalische Theorie "für alles" finden, die alle Naturkräfte (wie Schwerkraft, Magnetismus und noch zwei andere, exotischere Kräfte) zuverlässig und überzeugend beschreibt?

Wie genau funktionieren Sterne? Welche Sterne wurden wann gebildet? Unter welchen Umständen? Welche Arten von Sternen gibt es? Wie hängen Sterntypen und Planetenbildung zusammen?

Wie sieht es mit den Sternen unserer Milchstrasse aus? Wieviele von ihnen haben Planeten? Auf wievielen dieser Planeten gibt es Leben? Welche Form von Leben? Und gibt es dort auch intelligentes Leben, "Ausserirdische"? Oder sind wir gar die einzigen in der Milchstrasse? Wie sieht es in den anderen Galaxien aus?

Diese Fragen beschäftigen die Astronomie heute, und einigen dieser Fragen versuche ich hier auf dieser Webseite nachzugehen.