Astronomie und Kosmologie. Joanne Baker. Sachbuch. 50schlüssel. ideen

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1 Astronomie und Kosmologie Sachbuch Joanne Baker ideen 50schlüssel

2 Joanne Baker 50 Schlüsselideen Astronomie und Kosmologie Aus dem Englischen übersetzt von Bernhard Gerl Spektrum AKADEMISCHER VERLAG

3 Inhalt Einleitung 3 DER BLICK INS UNIVERSUM 01 Planeten 4 02 Das heliozentrische Weltbild 8 03 Keplers Gesetze Newtons Gravitationsgesetz Newtons Theorie der Optik Das Teleskop Fraunhofer-Linien Der Doppler-Effekt Parallaxe Die große Debatte 40 KOSMOLOGIE 11 Olbers Paradoxon Die Hubble-Konstante Die kosmische Entfernungsleiter Der Urknall Der kosmische Mikrowellenhintergrund Die Nukleosynthese im Urknall Antimaterie Dunkle Materie Die kosmische Inflation Dunkle Energie 80 RAUMZEIT UND DARÜBER HINAUS 21 Machs Prinzip Die Spezielle Relativitätstheorie Die Allgemeine Relativitätstheorie Schwarze Löcher Teilchenastrophysik Das Higgs-Boson Die String-Theorie Das anthropische Prinzip 112 GALAXIEN 29 Die Hubble-Klassifikation für Galaxien Galaxienhaufen Großräumige Strukturen Radioastronomie Quasare Der kosmische Röntgenhintergrund Supermassereiche Schwarze Löcher Die Entwicklung von Galaxien Gravitationslinsen 148 STERNE 38 Die Klassifikation von Sternen Die Entwicklung von Sternen Die Geburt eines Sterns Der Tod eines Sterns Pulsare Gammablitze Veränderlichkeit Die Sonne Exoplaneten Die Entstehung des Sonnensystems Monde Astrobiologie Das Fermi-Paradoxon 200 Glossar 204 Index 206

4 Einleitung 3 Einleitung Die Astronomie ist eine der ältesten Grundlagenwissenschaften. Seit unsere Vorfahren zum ersten Mal die Bewegungen der Sonne und der Sterne verfolgten, haben die Ergebnisse ihrer Beobachtungen die Auffassung über unseren Platz im Universum immer wieder radikal verändert. Jeder Durchbruch hatte auch Auswirkungen auf das soziale Gefüge. Im 17. Jahrhundert wurde Galileo Galilei für die Behauptung, die Erde kreise um die Sonne, verhaftet. Auch als man zeigen konnte, dass sich unser Sonnensystem weit außerhalb des Zentrums der Milchstraße befindet, gab es einen Aufschrei des Unglaubens. Doch im Jahre 1920 brachte Edwin Hubble die Zweifler zum Schweigen, als er beobachtete, dass die Milchstraße nur eine von Milliarden von Galaxien in einem riesigen Universum ist, das sich ausdehnt und schon seit 14 Milliarden Jahren besteht. Im Laufe des 20. Jahrhunderts folgten neue Beobachtungen dank neuer Technologien in immer kürzeren Abständen aufeinander. Das Jahrhundert begann mit einem tieferen Einblick in Sterne und die Fusionsprozesse in ihrem Inneren, parallel dazu verstanden wir die Kernkraft und die radioaktive Strahlung und bauten Atombomben. Die Jahre während und nach dem Zweiten Weltkrieg brachten die Entwicklung der Radioastronomie und die Entdeckung von Pulsaren, Quasaren und Schwarzen Löchern. Neue Fenster zum Universum wurden aufgestoßen, angefangen bei der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung bis hin zum Röntgenund Gammastrahlenhimmel. Jede Frequenz brachte ihre eigenen Entdeckungen. Dieses Buch unternimmt eine Reise durch die Astronomie aus Sicht der modernen Forschung. Die ersten Kapitel beschreiben die großen Sprünge der Philosophie, als man begriff, welche ungeheuren Ausmaße das Universum hat, und führen in die Grundlagen der Gravitation ebenso wie in die Funktionsweise eines Teleskops ein. Die nächsten Kapitel behandeln Fragen, die die Kosmologie bereits beantwortet hat; sie beschreiben die Erforschung des Universums im Ganzen woraus es aufgebaut ist, wie es sich entwickelt hat und noch entwickeln wird. Dann werden theoretische Aspekte des Universums wie die Relativitätstheorie, Schwarze Löcher und Multiversen eingeführt. Die letzten Kapitel analysieren im Detail, was wir über Galaxien, Sterne und das Sonnensystem wissen, und behandeln Themen von Quasaren über die Entwicklung von Galaxien bis hin zu Exoplaneten und zur Astrobiologie. Das Tempo, in dem neue Entdeckungen unsere Kenntnisse erweitern, ist immer noch hoch: Vielleicht werden wir in den kommenden Dekaden Zeuge der nächsten großen Umwälzungen werden wenn wir Leben jenseits der Erde entdecken.

5 4 Der Blick ins Universum 01 Planeten Wie viele Planeten gibt es? Vor wenigen Jahren war das noch eine einfache Frage, die jeder beantworten konnte neun. Heute ist die Antwort umstritten. Zu verdanken haben wir das den Astronomen, die im Gefrierschrank am äußeren Rand des Sonnensystems felsige Körper gefunden haben, welche es mit Pluto aufnehmen können, und die außerdem Hunderte von Planeten um weit entfernte Sterne entdeckten. Daher musste man die Definition eines Planeten überdenken, was dazu führte, dass man unserer Sonnensystem kurzerhand verkleinerte und ihm heute nur noch acht Planeten und einige Zwergplaneten wie Pluto zuspricht. Zeitleiste Schon seit vorgeschichtlichen Zeiten wissen wir, dass Planeten etwas anderes sind als Sterne. Planeten, die nach dem griechischen Wort für Wanderer benannt sind, ziehen vor dem unveränderlichen Hintergrund der Sterne über den Nachthimmel. Jede Nacht bilden die Sterne dieselben Muster. Ihre Konstellationen drehen sich allesamt langsam um den Nord- und Südpol und jeder Stern brennt täglich eine präzise Kreisbahn in den Himmel. Doch die Position der Planeten zu den Sternen ändert sich jeden Tag ein wenig; sie folgen einer schiefen Bahn über den Himmel, die Ekliptikebene genannt wird. Alle Planeten bewegen sich auf ihrem Weg um die Sonne in der gleichen Ebene, die auf den Himmel projiziert, eine Linie ergibt. Neben der Erde sind die fünf wichtigsten Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn schon seit Jahrtausenden bekannt. Man kann sie mit bloßem Auge leicht beobachten, oft überstrahlen sie ihre stellaren Nachbarn, und die Tatsache, dass sie sich anders als die Sterne bewegen, hat ihnen zu einem besonderen Status in der Mythologie verholfen. In noch mehr Ehrfurcht erstarrte man nach dem Aufkommen der ersten Teleskope im 17. Jahrhundert: Nun erkannte man, dass der Saturn von wunderbaren Ringen umgeben ist, der Jupiter sich mit einer Gesellschaft von Monden schmückt und die Oberfläche des Mars ist von dunklen Kanälen durchzogen. Planet X Dieses festgefügte Bild des Himmels wurde 1781 durch eine Entdeckung des deutsch-britischen Astronomen Friedrich Wilhelm (William) Herschel er- ca. 350 v. Chr. Aristoteles stellt fest, dass die Erde rund ist 1543 Kopernikus veröffentlicht sein heliozentrisches Weltbild 1610 Galileo Galilei entdeckt die Monde des Jupiters mit einem Teleskop 1781 Friedrich Wilhelm Herschel entdeckt den Uranus

6 Planeten 5 schüttert. Den Uranus hielt man, weil er weniger hell ist und sich langsamer als andere Planeten bewegt, zunächst für einen banalen Stern. Doch Herschels genaue Beobachtungen bewiesen, dass er die Sonne umkreist; im Ansehen beträchtlich gestiegen, verlieh man Uranus daraufhin den Status eines Planeten. Herschel sonnte sich in seinem Ruhm, der ihm angesichts seiner Entdeckung zuteil wurde, und er gewann sogar die Gunst von König Georg III., da er den neuen Planeten kurzerhand nach dem englischen König benennen wollte. Bald danach schlossen sich weitere Entdeckungen an. Leichte Unregelmäßigkeiten in der Umlaufbahn des Uranus ließen darauf schließen, dass sich in größerer Entfernung ein weiterer Himmelskörper befinden musste. Mehrere Astronomen machten sich am erwarteten Ort auf die Suche. Belohnt wurden ihre Bemühungen im Jahre 1846, als der Franzose Urbain Jean Joseph Le Verrier fündig wurde und den Planeten Neptun entdeckte. Er kam damit knapp dem britischen Astronomen John Couch Adams zuvor, der die Entdeckung jedoch bestätigte. Dann, im Jahre 1930, folgte Pluto. Wie schon bei Neptun schloss man aus geringen Abweichungen in den Bahnen der äußeren Planeten auf einen weiteren Himmelskörper damals als Planet X bezeichnet. Clyde Tombaugh vom Lowell Observatory in den USA spürte das Objekt schließlich auf, als er Fotos des Nachthimmels verglich, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen worden waren. Namensgeberin war jedoch eine Schülerin. Venetia Burney aus Oxford in Großbritannien hatte einen Wettbewerb zur Namesvergabe mit ihrem von der klassischen Antike inspirierten Vorschlag Pluto, dem Gott der Unterwelt, gewonnen. Und Pluto inspirierte seinerseits viele kreative Köpfe aus Kunst, Kultur und Wissenschaft, angefangen bei Disneys Zeichentrickhund bis hin zum neu entdeckten Element Plutonium. Pluto entthront Unser aus neun Planeten bestehendes Sonnensystem stand nun für weitere 75 Jahre festgefügt am Himmel bis Michael Brown und seine Kollegen vom California Institute of Technology herausfanden, dass Pluto nicht allein ist. Nicht Wie ist ein Planet definiert? Ein Planet ist ein Himmelskörper, der a) in einer Bahn um die Sonne kreist b) ausreichend Masse hat, sodass seine Eigengravitation stärker ist als die Kräfte in einem Festkörper, wodurch er seine runde Form erhält. c) die Umgebung in seiner Umlaufbahn freigeräumt hat. Genau wie Kontinente werden Planeten mehr über das definiert, was wir über sie denken, als durch eine nachträgliche offizielle Verlautbarung Michael Brown, Neptun wird vorhergesagt und von Adams und Le Verrier gefunden 1930 Clyde Tombaugh entdeckt Pluto 1962 Mariner 2 macht die ersten Bilder von der Oberfläche eines anderen Planeten, der Venus 1992 Der erste extrasolare Planet wird entdeckt 2005 Michael Brown entdeckt Eris

7 6 Der Blick ins Universum Planeten Zwerg- Planeten weit von der eisigen Umlaufbahn des Pluto fanden sie eine Hand voll recht großer Objekte, eines davon sogar größer als Pluto selbst. Sie nannten es Eris. Die Astronomen standen vor einem Problem. Sollte man das von Brown entdeckte Objekt als zehnten Planeten anerkennen? Und wie sollte man mit den anderen eisigen Himmelskörpern in der Nähe von Pluto und Eris verfahren? Letztlich stellte man Plutos Status als Planet infrage. Die äußeren Gebiete des Sonnensystems sind übersät mit eisüberzogenen Objekten, von Friedrich Wilhelm Herschel ( ) Friedrich Wilhelm Herschel wurde 1738 in Hannover geboren. Er emigrierte 1757 nach England und verdiente sich seinen Lebensunterhalt als Musiker. Herschel entwickelte ein reges Interesse an Astronomie, das er mit seiner Schwester Caroline teilte, die er 1772 nach England geholt hatte. Die Herschels bauten ein Teleskop, um den Nachthimmel zu beobachten. Sie katalogisierten Hunderte von Doppelsternen und Nebeln. Herschel entdeckte den Uranus und nannte ihn zu Ehren von König Georg III., der ihn daraufhin zum Hofastronomen ernannte, Georgium Sidum. Zu den weiteren Entdeckungen Herschels gehören die Zusammengehörigkeit vieler Doppelsterne, die jahreszeitlichen Schwankungen der Polkappen des Mars und die Monde von Uranus und Saturn.

8 Planeten 7 denen Pluto und Eris schlicht die größten sind. Außerdem gibt es auch anderswo noch felsige Asteroiden, etwa Ceres, ein Asteroid mit 950 Kilometern Durchmesser, der 1801 bei der Suche nach Neptun zwischen Mars und Jupiter entdeckt wurde traf sich ein Komitee der International Astronomical Union, des Berufsverbandes der Astronomen, um über das Vielleicht ist diese Welt die Hölle eines anderen Planeten. Aldous Huxley, 1988 Schicksal von Pluto zu entscheiden. Brown und einige andere wollten den Status von Pluto als Planet aufgrund seiner kulturellen Verwurzelung schützen. Ihrer Ansicht nach sollte auch Eris zum Planeten erklärt werden. Andere hielten entgegen, dass all diese eisigen Himmelskörper jenseits des Neptuns nicht wirklich als Planeten aufzufassen seien kam es zu einer Abstimmung, bei der auch der bis dahin nicht festgelegte Begriff Planet neu definiert wurde. Dies sorgte wiederum für Irritationen und manche verglichen dieses Bestreben mit der Frage nach einer genauen Definition eines Kontinents. Wenn Australien ein Kontinent ist, wie ist dann zum Beispiel Grönland einzuordnen? Wo beginnt Europa, wo Asien? Trotz dieser Diskrepanzen einigten sich die Astrophysiker schließlich auf eine Reihe von Regeln. Ein Planet ist ein Himmelskörper, der sich auf einer Bahn um die Sonne befindet. Er hat genug Masse, dass seine Schwerkraft ihn in eine runde Form zwingen kann, und er hat einen Raum um sich herum von Materie befreit. Pluto ist demnach kein Planet, denn Letzteres trifft nicht zu. Pluto, Eris und auch Ceres erhielten den Status von Zwergplaneten kleinere Körper, außer Monden, blieben unspezifiziert. Jenseits der Sonne Diese Definition von Planeten wurde zwar für unser Sonnensystem entwickelt, doch kann sie auch bei größeren Entfernungen angewandt werden. Heute kennt man mehrere Hundert Planeten, die um andere Sterne als die Sonne kreisen und sich dadurch bemerkbar machen, dass sie ihren Mutterstern durch ihre Gravitationswirkung ins Schwanken bringen. Die meisten dieser Planeten sind massereiche Gasgiganten wie Jupiter. Doch neue Raumsonden wie Kepler, die 2009 gestartet wurde, wetteifern darum, kleinere Planeten, die der Erde ähneln könnten, um andere Sterne herum zu entdecken. Eine weitere Definition wurde kürzlich infrage gestellt, nämlich die eines Sterns. Sterne sind Gasbälle wie die Sonne, die groß genug sind, dass in ihrem Inneren ein Kernfusionsprozess in Gang kommen konnte. Diese Energie lässt den Stern leuchten. Doch zwischen planetengroßen Kugeln aus Gas, wie dem Jupiter, und den kleinsten, schwach glimmenden Sternen, wie Braunen Zwergen, eindeutig zu unterscheiden, ist nicht trivial. Sterne ohne einen Fusionsprozess und sogar frei herumvagabundierende Planeten könnten überall im Raum herumschwirren. Worum es geht Planeten stechen aus der Menge hervor

9 8 Der Blick ins Universum 02 Das heliozentrische Weltbild Heute erscheint es uns ganz selbstverständlich, dass sich die Erde und die Planeten um die Sonne bewegen, doch setzte sich diese Auffassung erst durch, als im 17. Jahrhundert die Beweise dafür nicht mehr zu übersehen waren und sie erschütterten das damalige Weltbild. Die Menschen sollten sich nicht, wie lange geglaubt und von Philosophen und Vertretern der Kirche gelehrt, im Zentrum des Universums befinden. Ähnliche Diskussionen über den Platz des Menschen im Kosmos existieren auch heute noch. Vor allem in den USA poltern die Kreationisten mit ihren Dogmen gegen die vernunftbasierten Ergebnisse der Kosmologie. Frühe Gesellschaften sahen keinen Grund, daran zu zweifeln, dass sich das Universum um sie dreht, und bereits in der Antike konstruierte man Modelle des Kosmos mit der Erde als Zentrum, von dem alles andere ausging. Man stellte sich vor, alle Himmelskörper seien an Kristallsphären fixiert, die sich um die Erde drehen, und die Sterne, die daran befestigt sind oder deren Licht durch kleine Löcher tritt, kreisten jede Nacht um den nördlichen und südlichen Himmelspol. Der Platz der Menschen als Schlüssel zu den Mechanismen des Universums war klar definiert. Die sich dennoch mehrenden Hinweise darauf, dass dieses bequeme Modell nicht ganz stimmen konnte, bereitete Gelehrten über viele Generationen hinweg Kopfzerbrechen. Die Idee, der Himmel könne sich um die Sonne und nicht um die Erde drehen also eines heliozentrischen Weltbildes, benannt nach dem griechischen Wort helios für Sonne wurde schon 270 v. Chr. von griechischen Philosophen vorgebracht. Einer derjenigen, die solche Ideen in ihren Schriften vertraten, war Aristarchos von Samos. Nachdem er die relative Größe von Erde und Sonne berechnet hatte, erkannte Aristarchos, dass die Sonne viel größer sein musste. Es erschien ihm daher sinnvoller, dass sich die kleinere Erde bewegte, als die große Sonne. Zeitleiste 270 v. Chr. Die alten Griechen schlagen ein heliozentrisches Weltbild vor zweites Jahrhundert Ptolemäus ergänzt die Epizykeln, um die Rückwärtsbewegungen zu erklären

10 Das heliozentrische Weltbild 9 Im zweiten Jahrhundert bemühte Ptolemäus mathematische Ansätze, um die Bewegungen der Sterne und Planeten zu berechnen. Seine Modelle erwiesen sich als einigermaßen brauchbar, doch gab es offensichtlich Muster, die nicht zu seinen Gleichungen passten. Das Verhalten von Planeten, die sich gelegentlich scheinbar auch rückwärts bewegten, irritierte am stärksten. Wie alle vor ihm, stellte sich auch Ptolemäus vor, dass die Planeten auf riesigen Rädern über das Firmament zogen. Deshalb baute er in ihre Umlaufbahnen zusätzliche Schleifen ein, durch die sich die außergewöhnlichen Beobachtungen erklären ließen. Nach seiner Auffassung bewegten sich die Planeten auf ihrem Weg auf der Hauptbahn zusätzlich um einen kleineren Ring, wie im Räderwerk einer riesigen Uhr. Diese überlagerten Epizykeln erweckten den Eindruck, als wanderten die Planeten gelegentlich auch rückwärts. Die Idee der Epizykeln blieb hängen und wurde in späteren Jahren weiter verfeinert. Den Philosophen gefiel, dass die Natur offenbar vollkommene geometrische Formen bevorzugte. Als die Astronomen aber die Bewegungen der Planeten immer genauer beobachteten, konnten sie nicht mehr umhin zuzugeben, dass ihre mathematische Beschreibung dieses Uhrwerks falsch war. Je genauer die Daten wurden, desto größer wurden die Diskrepanzen. Das Modell des Kopernikus Die Idee eines heliozentrischen Weltbildes kam im Laufe der Jahrhunderte immer wieder auf, durchsetzen konnte sie sich jedoch nicht. Instinktiv blieb man beim geozentrischen System, alternative Theorien tat man als Hirngespinste ab. Erst im 16. Jahrhundert war das Modell mit der in den Mittelpunkt gerückten Sonne, um die die Himmelskörper kreisen, so weit ausgereift, dass man es so ernsthaft wie heftig diskutierte. In seinem 1543 erschienenen Buch De Revolutionibus Orbium Coelestium beschrieb der polnische Astronom Nikolaus Kopernikus ein detailliertes mathematisches Modell für ein heliozentrisches Weltbild, das auch die scheinbaren Rückwärtsbewegungen der Planeten als Projektion ihrer Bewegung um die Sonne auf die ebenfalls kreisende Erde erklären konnte. Erde Venus Merkur Sonne 1543 Kopernikus veröffentlicht sein heliozentrisches Weltbild 1609 Galilei entdeckt die Jupiter- Monde; Kepler stellt die Umlaufbahnen als Ellipsen dar 1633 Galilei wird angeklagt, weil er ein heliozentrisches Weltbild lehrt

11 10 Der Blick ins Universum Nikolaus Kopernikus ( ) Nikolaus Kopernikus wurde im polnischen Thorn geboren, nahm Unterricht in Recht, Medizin, Astronomie und Astrologie und wurde zum Domherrn ernannt. Er war fasziniert von den Ideen des Ptolemäus zur Ordnung des Universums, stand ihnen aber auch kritisch gegenüber und erarbeitete deshalb sein eigenes System, in dem die Erde und die Planeten um die Sonne kreisen. Sein Werk De Revolutionibus Orbium Coelestium ( Über die Kreisbewegungen der Himmelskörper ), das er im März 1543 nur zwei Monate vor seinem Tod veröffentlichte, war ein entscheidender Schritt bei der Einführung eines heliozentrischen Weltbildes, auch wenn es noch weit von den Ideen der modernen Astronomie entfernt war. Letztlich sollten wir die Sonne selbst in die Mitte des Universums setzen. Nikolaus Kopernikus Weil es die generelle Überlegenheit der Menschheit infrage stellte, hatte das Kopernikanische Modell tiefgreifende Auswirkungen. Staatskirche und Gesellschaft bevorzugten das geozentrische Modell des Ptolemäus, und Kopernikus war vorsichtig genug gewesen und hatte die Veröffentlichung bis zum Jahr seines Todes verzögert. Posthum wurden seine Darlegungen zwar wahrgenommen, aber rasch beiseite gelegt. Offensichtlich war eine streitbarere Figur nötig, die Schlacht zu schlagen. Galileis Verurteilung Der italienische Astronom Galileo Galilei zog die Aufmerksamkeit der römisch-katholischen Kirche auf sich, indem er vehement für das heliozentrische Weltbild eintrat. Dieser Mut wurde durch seine eigenen Beobachtungen, die er mit dem damals neu erfundenen Teleskop gemacht hatte, bestärkt. Da er den Himmel damit genauer beobachten konnte als seine Vorgänger, erhielt er Hinweise darauf, dass die Erde keineswegs das Zentrum bildet. Der Jupiter besitzt Monde, die ihn umkreisen, und die Venus zeigt Phasen, wie der Mond. Er veröffentlichte diese Beobachtungen 1610 in seinem Werk Sidereus Nuncius ( Sternenbote ). Überzeugt von seinem heliozentrischen Weltbild, verteidigte Galilei seine Auffassung in einem Brief an die Großherzogin Christine. Doch seine Behauptung, es sei die Rotation der Erde, die den Eindruck erwecke, die Sonne wandere um die Erde, brachte ihm eine Vorladung nach Rom ein. Der Vatikan räumte ein, dass seine Beobachtungen zutreffend seien, da jesuitische Astronomen mit ihren Teleskopen die gleichen Dinge gesehen hatten, und trotzdem weigerte sich die Kirche, Galileis

12 Das heliozentrische Weltbild 11 Theorie zu akzeptieren. Man tat sie ab und vertrat die Ansicht, es sei nur eine Hypothese, die nicht wörtlich zu nehmen sei, wenn sie auch durch ihre Einfachheit besteche verbot die Kirche Galilei, den Heliozentrismus zu lehren, und verhinderte damit, dass er weiter an dieser umstrittenen Idee festhielt oder sie verteidigte. Bestimmt schadet es den Seelen, wenn man etwas zu glauben, was bewiesen ist, zur Häresie erklärt. Galileo Galilei Keplers Argument Inzwischen widmete sich ein deutscher Astronom der Mathematik der Planetenbewegung. Johannes Kepler veröffentlichte seine Analyse der Umlaufbahn des Mars im Jahre 1609 in seinem Werk Astronomia nova ( Neue Astronomie ), im gleichen Jahr, in dem Galilei mit seinem Teleskop zu arbeiten begann. Kepler fand heraus, dass die Umlaufbahn des roten Planeten um die Sonne eher eine Ellipse beschreibt als einem Kreis. Indem er sich von vollkommenen Kreisen befreite, ging er über das Modell des Kopernikus hinaus und verbesserte damit die Vorausberechnungen der Planetenbewegungen. Heute als grundlegendes Gesetz der Physik angesehen, war die Vision Keplers ihrer Zeit weit voraus und es dauerte lange, bis sie allgemein anerkannt wurde. Galilei beispielsweise nahm keine Notiz davon. Obwohl er sich nicht frei äußern durfte, war Galilei überzeugt, dass seine heliozentrische Erklärung richtig war. Als er von Papst Urban VIII. aufgefordert wurde, eine Schrift zu verfassen, die beide Seiten darstellte, brachte er den Papst mit seinem Werk Dialogo di Galileo Galilei sopra i due Massimi Sistemi del Mondo Tolemaico e Copernicano ( Dialog über die zwei wichtigsten Weltsysteme, das Ptolemäische und das Kopernikanische ) gegen sich auf, weil er sein eigenes System als dem der Kirche überlegen darstellte. Der Vatikan bestellte ihn erneut nach Rom und klagte ihn 1633 des Ungehorsams an. Galilei wurde für den Rest seines Lebens unter Arrest gestellt und starb Erst Jahrhunderte später, im Vorfeld des Jahrestages der Veröffentlichung seines berühmten Werkes, entschuldigte sich der Vatikan formell. Allmähliche Akzeptanz Im Laufe der Jahrhunderte gab es immer mehr Beweise für das heliozentrische Weltbild. Es zeigte sich, dass Keplers Berechnungen der Umlaufbahnen korrekt waren, und sie beeinflussten auch Newtons Gravitationstheorie. Als weitere Planeten entdeckt wurden, war es ganz offensichtlich, dass sie um die Sonne kreisen. Die Auffassung, der Mensch stehe im Zentrum aller Dinge, war nicht länger haltbar. Worum es geht Die Sonne steht im Zentrum

13 12 Der Blick ins Universum 03 Keplers Gesetze Die drei Gesetze von Kepler der Planetenbewegung waren ein Meilenstein der modernen Physik. Sie beschreiben die elliptischen Bahnen, auf denen die Planeten um die Sonne kreisen, die Zeit, die ein Umlauf dauert, und um wie viel langsamer Planeten, die weiter entfernt sind, die Sonne umkreisen als nähere. Kepler war zwar seiner Zeit weit voraus, doch hätte er sich wohl kaum vorstellen können, dass seine Gesetze heute auf Planeten angewendet werden, die um weit entfernte Sterne wandern, und dass sie sogar dazu nützlich sind, die Anwesenheit von Dunkler Materie nachzuweisen. Die moderne Astronomie begann 1609, als Kepler sein großes Werk Astronomia Nova veröffentlichte. Der deutsche Mathematiker hatte auf der Grundlage von genauen Beobachtungen der Bewegungen des Mars durch den adligen dänischen Astronom Tycho Brahe, bei dem Kepler als Assistent gearbeitet hatte, Gleichungen abgeleitet, die die Umlaufbahnen von Planeten beschreiben konnten. Brahe war ein talentierter Instrumentenbauer gewesen, und seine Messungen der Bewegungen des roten Planeten waren weit genauer, als alle zuvor. Doch war es Kepler, der all die Daten auswertete und daraus eine neue Theorie entwickelte. A B Elliptische Orbits Keplers Abhandlung enthielt bereits zwei Gesetze zu den Umlaufbahnen, das dritte wurde erst 1619 veröffentlicht. Keplers erstes Gesetz besagt, dass sich die Planeten auf elliptischen Bahnen bewegen, wobei in einem der Brennpunkte der Ellipse die Sonne steht. Diese Erkenntnis war radikaler als sie klingt. Die Astronomen jener Zeit hatten bis dahin angenommen, dass die Umlaufbahnen vollkommene Kreise beschreiben. Seit D den alten Griechen galten Kreis, Quadrat, Tetraeder und andere einfache geometrische Formen als etwas Besonderes. Man dachte, die C Natur bevorzuge vollkommene Formen und Abweichungen davon seien ihr verhasst. Kepler schloss sich dieser Ansicht zunächst an und stellte Zeitleiste ca. 580 v. Chr. Pythagoras behauptet, dass sich die Planeten entlang vollkommener, kristallener Sphären bewegen ca. 150 n. Chr. Ptolemäus zeichnet Rückwärtsbewegungen auf und erklärt sie mit der Existenz von Epizykeln 1543 Kopernikus vertritt die Ansicht, dass die Planeten um die Sonne kreisen 1576 Tycho Brahe zeichnet die Positionen der Planeten auf

14 Keplers Gesetze 13 sich vor, dass Planeten in einer Reihe von Kristallsphären um die Sonne arrangiert seien und die Abstände den mathematischen Verhältnissen von Polygonen entsprächen. Doch die Daten von Brahe änderten seine Meinung. Der entscheidende Hinweis kam von den Bewegungen des Planeten Mars. Seine Umlaufbahn ist, abgesehen von der des Merkurs, langgestreckter und somit exzentrischer als die jedes anderen Planeten in unserem Sonnensystem. Von der Erde aus gesehen ändert sich die Geschwindigkeit des Planeten sehr stark, und manchmal kehrt er sogar um, wandert zurück und zieht eine Schleife. Vor Kepler hatten die Astronomen diese verrückte rückläufige Bewegung mit kleinen zusätzlichen Kreisen, sogenannten Epizykeln, als Ergänzung zu den großen Kreisbahnen zu erklären versucht. Doch Kepler stellte fest, dass sich eine Ellipse dazu viel besser eignet. Der Grund für die Rückwärtsbewegung der anderen Planeten liegt darin, dass wir das Sonnensystem von einer sich bewegenden Plattform aus beobachten. So löste also Kepler ein Problem, das den Astronomen jahrhundertelang Kopfzerbrechen bereitet hatte. Zur wissenschaftlichen Lehre sollten auch Experimente gehören. Die Beobachtung eines Planeten durch ein Teleskop ist so viel wert wie ein ganzer Astronomiekurs, der Schock, den ein elektrischer Funke im Ellenbogen verursacht, übertrifft alle Theorien, der Geschmack von Lachgas, das Entzünden eines künstlichen Vulkans sind besser als die dicksten Chemiebücher. Ralph Waldo Emerson Keplers zweites Gesetz beschreibt, wie schnell sich ein Planet auf seiner Umlaufbahn bewegt. Die Verbindungslinie zur Sonne überstreicht dabei im gleichen Zeitraum gleiche Flächen. Dieses Segment zwischen der Sonne und den beiden Positionen des Planeten (A und B oder C und D) sieht wie ein Kuchenstück aus. Wenn der Planet der Sonne näher ist, bewegt er sich schneller und das Kuchenstück ist breiter, ist er weiter weg, bewegt er sich langsamer und das Kuchenstück wird im gleichen Zeitraum schmaler; laut Keplers Gesetz ist das Kuchenstück jedoch immer gleich groß. Diese Erkenntnisse zog Kepler ausschließlich aus den Aufzeichnungen zur Geschwindigkeit des Mars an unterschiedlichen Punkten seiner Umlaufbahn Kepler entdeckt, dass sich die Planeten auf elliptischen Umlaufbahnen bewegen 1619 Kepler veröffentlicht sein drittes Gesetz 1687 Newton erklärt Keplers Gesetze mit seinem Gravitationsgesetz 2009 Die NASA startet den Satelliten Kepler, der um entfernte Sterne kreisende Planeten entdecken soll

15 14 Der Blick ins Universum Keplers Gesetze Erstes Gesetz Die Umlaufbahnen der Planeten sind Ellipsen, mit der Sonne in einem der Brennpunkte. Zweites Gesetz Die Verbindungslinie zwischen Planet und Sonne überstreicht bei dessen Bewegung um die Sonne in gleichen Zeiträumen gleiche Flächen. Drittes Gesetz Die Umlaufzeiten hängen von der Größe der Ellipse ab, sodass das Quadrat der Umlaufzeit proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse der Ellipse ist. Keplers drittes Gesetz geht noch einen Schritt weiter und verrät uns, wie sich die Umlaufzeiten für unterschiedlich große Ellipsen, also verschiedene Entfernungen von der Sonne, verändern. Es besagt, dass die Quadrate der Umlaufzeiten proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse der elliptischen Bahn sind. Je größer die Ellipse, desto länger dauert es, bis der Planet einen Umlauf vollendet hat. Also bewegen sich Planeten, die weiter von der Sonne entfernt sind, deutlich langsamer als sonnennahe. Der Mars benötigt fast zwei Erdenjahre für einen Umlauf, Saturn braucht 29, Neptun sogar 165 Jahre. Der Merkur kreist in nur 80 Erdentagen um die Sonne, und würde Jupiter sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, bräuchte er nur 3,5 Erdenjahre für einen Umlauf, tatsächlich sind es aber zwölf. Der moderne Mensch Vier Jahrhunderte später haben sich Keplers Gesetze ausreichend bewährt. Sie können auf jeden Körper angewendet werden, der um einen anderen kreist, angefangen bei Kometen, Asteroiden und Monden in unserem Sonnensystem bis hin zu Planeten um andere Sterne und sogar künstlichen Satelliten, die um die Erde schwirren. Noch wichtiger ist vielleicht, dass Kepler der erste war, der eine wissenschaftliche Herangehensweise anwendete, die auch heute noch Bestand hat er führte Beobachtungen durch und analysierte die Ergebnisse, um Theorien über unser Universum zu überprüfen. Die Himmel habe ich gemessen, jetzt mess ich die Schatten der Erde. Himmelwärts strebte der Geist, des Körpers Schatten ruht hier. Keplers Grabinschrift