Vom geozentrischen Weltbild bis zur Urknalltheorie

Vom geozentrischen Weltbild bis zur Urknalltheorie Geschichtlicher Rückblick über Teleskope (bis ca. 1920) 5. Mai 2010 Kristina Seifert Mount Wilson Observatory

Übersicht Das geozentrische Weltbild Die kopernikanische Wende: die Zeit von Tycho Brahe bis Kepler Newton und die Spiegelteleskope Vom Planetensystem zur Milchstraße (Herschel) Das Hubble-Gesetz und der Urknall 2

Claudius Ptolemäus (ca. 100 bis 175 n. Chr.) sein berühmtestes Werk: Almagest dt. Die große Zusammenstellung umfasst das antike Wissen über die Himmelsobjekte Standardwerk der Astronomie vom 2. bis 17. Jahrhundert 3

Ptolemäus' geozentrisches Weltbild alle Planten, die Sonne und der Mond bewegen sich im Grunde auf Kreisbahnen um die Erde leichte Abänderung zu Epizykelbahnen, um mit den astronomischen Beobachtungen in Einklang zu kommen Planeten an Kristallschalen befestigt 4

Epizykelbahn kurzzeitig sieht es so aus, als laufe der Planet in die umgekehrte Richtung Planet (z.b. Mars) sieht mal heller, mal dunkler aus (abhängig von der Entfernung zur Erde) mit einfacher Kreisbahn nicht zu erklären 5

Nikolaus Kopernikus (1473-1543) sein berühmtestes Werk: De revolutionibus beschreibt darin sein heliozentrisches Weltbild veröffentlichte es erst kurz vor seinem Tod 6

Kopernikus' heliozentrisches Weltbild die Erde, sowie alle anderen Planeten, bewegen sich auf Kreisbahnen um die Sonne Erde dreht sich um eigene Achse Weltbild schon durch Aristarchos von Samos (310 v. Chr.) vertreten 7

Gegner des heliozentrischen Weltbildes Ablehnung der Kirche, da sie die Einzigartigkeit der Erde und des Menschen gefährdet sah häufiges Argument gegen das helozentrische Weltbild: fehlender Parallaxeneffekt weitere Gegenargumente: Bewegung der Erde müsste spürbar sein herunterfallende Gegenstände müssten schräg fallen von den Gegnern wurde Kopernikus' Weltbild meist nur als mathematisches Konstrukt angesehen, um die Berechnung der Planetenbahnen zu vereinfachen 8

Parallaxeneffekt 9

Tycho Brahe (1546-1601) leitete das vom dän. König eigens für ihn gebaute Observatorium Uranienburg 10

Tycho Brahes Verdienste verfasste den umfangreichsten Sternenkatalog, der jemals ohne das Teleskop als Hilfsmittel aufgenommen wurde nahm sehr gewissenhaft astronomische Daten auf (v.a. die Umlaufbahn des Mars) hinterließ Kepler seine umfangreiche Datensammlung mit der dieser die Ellipsenbahnen der Planeten verifizieren konnte 11

Das Weltbild Tycho Brahes Abwandlung des geozentrischen Weltbildes: Merkur und Venus kreisen um die Sonne die Sonne selbst und alle anderen Planeten kreisen um die Erde von den Gegnern des heliozentrischen Weltbildes gerne angenommen 12

Hintergründe zu den ersten Teleskopen einfache Linsen aus geschliffenem Quarz oder Glas gab es schon lange vor der Erfindung des Teleskops ab dem 13. Jahrhundert Verwendung von Linsen z.b. in Brillen (bzw. Monokeln) erstes Teleskop 1608 erfunden von dem Brillenmacher Hans Lipperhey (Galileiteleskop mit einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse) 13

Azimutale Montierung horizontale Achse zur Einstellung der Höhe vertikale Achse zur Einstellung des Azimuts Vorteile: mechanisch einfach und trägt große Lasten Nachteil: bei der Nachführung des zu beobachtenden Himmelskörpers ist eine Drehung um beide Achsen nötig 14

Äquatoriale Montierung auch parallaktische Montierung genannt Rektazensions(/Stunden-)achse ist zum Horizont um den Winkel der geografischen Breite des Beobachtungsortes geneigt darauf senkrechte Deklinationsachse weist zum Himmelsäquator Vorteil: nur Drehung um die Rektazensionsachse 15

Galileo Galilei (1564-1642) Richtete als erster das Teleskop in den Himmel (sonst nur militärische Zwecke) seine ersten Teleskope erreichten eine 20 bis 30-fache Vergrößerung (gängige Teleskope: 2 bis 3-fach) Entwicklung des ersten Mikroskops 16

Galileo Galileis Entdeckungen erkannte als erster, dass die Milchstraße in Sterne aufgelöst werden konnte erkannte und zeichnete die Struktur des Mondes recht genau (veröffentlicht im Sidereus Nuncius, dt. Sternenbote) großer Ruhm fand 4 Jupiter-Monde 17

Galileo Galileis Entdeckungen Venusphasen (er glaubte damit das heliozentrische Weltbild bewiesen zu haben) nach Galilei lange Zeit keine großen Entdeckungen mehr bis Teleskope viel besser wurden 18

Das Weltbild Galileo Galileis vertrat das Koperikanische Weltbild lehnte Keplers Ellipsenbahnen ab und bevorzugte, wie einst auch Kopernikus, Kreisbahnen interpretierte Kometen als atmosphärisches Phänomen, weil diese sonst sein Weltbild gefährdet hätten (keine Kreisbahn!) bewies, dass das Ptolemäische Weltbild falsch ist, das von Tycho Brahe konnte er jedoch nicht widerlegen 19

Johannes Kepler (1571-1630) seine drei berühmtesten Werke: Astronomia Nova : Dioptrice : 1. und 2. Kepler'sches Gesetz Brechung des Lichts optische Abbildungen Harmonice Mundi 3. Kepler'sches Gesetz 20

Johannes Keplers Verdienste aufgrund der Positionsdaten des Mars Überlegung, dass es sich um elliptische Planetenbahnen handelt die drei Kepler'schen Gesetze Bedeutung des Mondes für die Gezeiten erstes Teleskop mit zwei Sammellinsen (sog. Keplerfernrohr) Besonderheit: Bild steht auf dem Kopf 21

Modell eines Kepler-Fernrohrs Kombination einer Objektivlinse mit großer Brennweite und einer Okularlinse mit kurzer Brennweite f Obj Vergrößerung V = f Ok 22

Das Weltbild Johannes Keplers heliozentrisches Weltbild elliptische Planetenbahnen um die Sonne mit der Sonne in einem der Fokuspunkte modernes Bild des Sonnensystems (bis auf unentdeckte Planeten) jedoch Fixsternhimmel als umgebende Schale, die das Universum begrenzt 23

Vorteile von Spiegelteleskopen im Gegensatz zu Linsenteleskopen keine chromatische Aberration kürzerer Aufbau Spiegel in nahezu beliebiger Größe herstellbar, Linsen sind wegen des Eigengewichts Grenzen gesetzt relativ günstige Herstellungskosten aber: andere Bildfehler wie Koma und Astigmatismus 24

Newton-Teleskop konkaver Hauptspiegel (ursprünglich sphärisch, später parabolisch) zur Mittelachse um 45 geneigter Fangspiegel 25

Cassegrain-Teleskop konkav-parabolischer Primärspiegel konvex-hyperbolischer Fangspiegel rechtsseitiger Brennpunkt des Fangspiegels fällt mit dem Brennpunkt des Hauptspiegels zusammen kurzer Aufbau 26

Nasmyth-Teleskop Kombination aus Newton- und Cassegrain-Teleskop konkav-parabolischer Hauptspiegel konvexer Fangspiegel um 45 zur Mittelachse geneigter Planspiegel, der das Licht zum Okular lenkt 27

Modernes Großteleskop Nasmyth/CassegrainBauart (umbaubar) azimutale Montierung (computergesteuert) zwei stationäre Plattformen verschiedene Messinstrumente durch Ummontierung des Sekundärspiegels einsetzbar (z.b. Spektrometer) 28

Isaac Newton (1643 1727) berühmtestes Werk: die Principia erster Astronom, der seine Thesen physikalisch untermauerte 29

Isaac Newtons Verdienste löste das Problem der Materialwahl für Spiegel Spiegelmetall wurde die folgenden zwei Jahrhunderte genutzt die drei Newtonschen Gesetze Gravitation als anziehende Kraft der Sonne auf die Erde (statt magnetischer Kraft) brachte die drei Kepler'schen Gesetze mit der Physik in Einklang und verifizierte sie Begründer der Naturwissenschaften 30

James Bradley (1693-1762) konnte als erster die Bewegung der Erde um die Sonne durch die Aberration des Lichts nachweisen Beweis des heliozentrischen Weltbildes wollte eigentlich Parallaxe eines Sterns zur Entfernungsbestimmung messen erste Parallaxenmessung erst 1838 durch Friedrich Wilhelm Bessel 31

Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) Entwicklung immer größerer Teleskope Entdeckung des Planeten Uranus Entdeckung der Infrarotstrahlung schaffte Grundlagen auf den Gebieten der Nebel, Doppelsterne und der Milchstraße 32

Herschel-Teleskop Hauptspiegel leicht gegenüber der Mittelachse geneigt, lenkt das Licht schräg zur Okularlinse kein Sekundärspiegel nötig (damit verbundener Lichtverlust vermieden) 33

Herschels Riesenteleskop 1789 fertiggestellt Spiegeldurchmesser von 1,22 m über 12 m Fokuslänge größtes Teleskop seiner Zeit teuer und schwierig in der Herstellung die größten Entdeckungen machte er mit anderen kleineren Teleskopen 34

Herschel und die Nebel Zahl der dokumentierten Nebel bis dahin sehr überschaubar (knapp über 100) legte einen Katalog von 2500 Nebeln an und klassifizierte diese (v.a. nach der Gestalt) vermutete, dass es sich bei Nebeln um große weit entfernte Sternenhaufen handelte, die mit den damaligen Mitteln noch nicht aufgelöst werden konnten Theorie der Entstehung von Sternhaufen: Schwerkraft macht aus losen Haufen dichter gepackte Systeme Begründer der Kosmologie 35

Andromeda-Galaxie Orionnebel Kugelsternhaufen M3 36

Herschel und die Doppelsterne listete 848 Doppelsterne entdeckte die Bewegung zweier physischer Doppelsterne umeinander schloss auf gravitative Anziehung Nachweis der Newtonschen Mechanik auch außerhalb des Sonnensystems 37

Herschel und die Milchstraße Methode der Sternzählungen zur Bestimmung der Gestalt der Milchstraße (mit der Annahme dass die absolute Helligkeit aller Sterne gleich ist): viele Sterne/Fläche weit bis zum Rand der Milchstraße wenige Sterne/Fläche Rand ist nahe vermutete eine linsenförmige Milchstraße mit der Sonne relativ nah am Zentrum 38

Die Grand Debatte 1920 grundsätzliche Frage: Handelt es sich bei den Spiralnebeln (z.b. Andromada-Nebel) um große eigenständige Galaxien oder sind sie ein kleiner Teil unserer Galaxie? Harlow Shapley: Spiralnebel Teil unserer Milchstraße Sonne am Rand der Milchstraße Heber Curtis: Spiralnebel sind eigenständige Galaxien Sonne im Zentrum der Milchstraße 39

Mount Wilson-Observatorium wurde 1904 von George Ellery Hale gegründet befindet sich in den San Gabriel Mountains in Kalifornien 40

Hooker-Reflektor wurde 1917 installiert 30 Jahre lang das größte Teleskop der Welt 100 inch (2,54 m) Spiegeldurchmesser über 15 m Fokuslänge ca. 100 Tonnen schwer äquatoriale Montierung 41

Entdeckungen und Nachweise des Mount-Wilson-Observatoriums Nachweis, dass die Sonne nicht im Zentrum der Milchstraße steht (Harlow Shapley) Bestimmung der Entfernung von Galaxien (Edwin Hubble, Cepheidenmethode) Entdeckung der Expansion des Universums durch die kosmologische Rotverschiebung 42

Vesto Slipher (1875-1969) arbeitete am LowellObservatorium im Arizona beobachtete als erster die Radialgeschwindigkeit von Galaxien und trug so die Messdaten zusammen, die u.a. Hubble auswertete entdeckte 1912 durch spektroskopische Untersuchungen der Galaxien erstmals die kosmologische Rotverschiebung 43

Carl Wirtz fand den Zusammenhang zwischen der scheinbaren Helligkeit und der Rotverschiebung von Nebeln 44

Carl Wirtz konnte später zeigen, dass daraus die Korrelation von Rotverschiebung und Entfernung folgt Problem: es fehlt ein Maßstab, daher nur relative Entfernung glaubte damit das statische Weltmodell de Sitters nachgewiesen zu haben 45

Cepheiden-Methode 1923 bestimmte Edwin Hubble damit die Entfernung zur Andromeda-Galaxie Cepheiden: veränderliche Sterne, deren Helligkeit sehr regelmäßig in der Zeit pulsiert es gilt die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung: M = 2,902 log P 1,203 aus dem Unterschied zwischen der absoluten Helligkeit M und der messbaren scheinbaren Helligkeit m kann man dann die Entfernung D bestimmen: D=10 m M 5 /5 noch heute eines der wichtigsten Werkzeuge zur extragalaktischen Entfernungsbestimmung 46

Einsteins statisches Universum Einstein fügte in die Feldgleichungen der ART eine kosmologische Konstante ein, um ein statisches Modell des Universums zu ermöglichen Gleichgewicht, das er damit schaffte stellte sich später als instabil heraus revidierte seine Annahme der kosmologischen Konstante, nachdem Hubble 1929 ein expandierendes Unisversum nachgewiesen hatte 47

Georges Lemaitre und Alexander Friedmann durch Anwendung des kosmologischen Prinzips (Homogenität und Isotropie des Raums) auf die ART Friedmann-Gleichungen die Lösung der Friedmanngleichungen führen zu einem expandierenden Universum Lemaitre konnte die Steigung der Geraden (Zusammenhang EntfernungRelativgeschwindigkeit) bestimmen Hubblekonstante 48

Hubble-Relation erstmals 1927 durch Georges Lemaitre formuliert 1929 erneut von Edwin Hubble veröffentlicht v H 0 D v=c z wobei v die Fluchtgeschwindigkeit ist und z die Rotverschiebung Die Hubblekonstante H 0 von Lemaitre auf 575 km s MPc geschätzt, von Hubble auf 500 heutiger Wert: 70 km s MPc km s MPc daraus moderne Abschätzung für Alter des Universums: 13,7 Milliarden Jahre ( t =1/ H 0 ) 49

Literatur John North: Cosmos An illustrated history of astronomy and cosmology Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009): Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009): Das Gesetz der Expansion wird 80 Fritz Krafft (Regiomontanusbote 2/2010): Friedrich Wilhelm Herschel Innovation durch einen Außenseiter 50

Abbildungsverzeichnis Folie 1: Webcam Mount Wilson Folie 3: http://de.wikipedia.org/wiki/claudius_ptolem%c3%a4us Folie 4: http://www.fherrgen.de/down/karikaturen/weltbild/weltbildptolemaeus150nach.jpg Folie 5: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/69/epizykelbahn.png Folie 6: http://www.frombork.art.pl/frombork-foto/k3.jpg Folie 7: http://de.wikipedia.org/w/index.php? title=datei:de_revolutionibus_manuscript_p9b.jpg&filetimestamp=20090502015023 Folie 9: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/df/parallaxev2.png Folie 10: Tycho Brahe http://www.hps.cam.ac.uk/starry/tycho.html Uranienburg http://www.vobam.se/bilder/ven7.jpg Folie 12: Cosmos S. 331 Folie 14: http://www.kepler-gesellschaft.de/keplerfoerderpreis/2006/platz1_faecheruebergreifend/technik.html Folie 15: http://www.astronomie.de/technik/montierung/montierung.htm Folie 16: http://www.britannica.com/ebchecked/topic-art/224058/94989/justus-sustermansportrait-of-galileo-galilei-date-unknown-oil-on 51

Abbildungsverzeichnis Folie 17: Cosmos S. 362 Folie 18: http://www.venusfan.de/phasen/venuszyklus5.jpg Folie 20: http://www.stkate.edu/physics/phys104ss/block1/index.html Folie 22: http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ph3_0203/p323_l03.htm Folie 23: http://www.techfreaq.de/physikkepler.htm Folie 25: Cosmos S. 388 Folie 26: Cosmos S. 388 Folie 27: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=datei:nasmythtelescope.svg&filetimestamp=20051118163707 Folie 29: http://www.wikiwak.com/wak/commons:file:sir_isaac_newton_by_sir_godfrey_kneller,_bt.jpg Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/aberration.png Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php? title=datei:william_herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153 Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=datei:herschellomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516 Folie 34: Cosmos S. 441 52

Abbildungsverzeichnis Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/aberration.png Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php? title=datei:william_herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153 Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=datei:herschellomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516 Folie 34: Cosmos S. 441 Folie 36: Andromeda-Galaxie http://www.guido-kueppers.de/images/fullsize/m31_2007-09-08.jpg Orion-Nebel http://www.pflichtlektuere.com/07/07/2009/blick-vom-ruhrgebiet-in-denhimmel/orionnebel/ Kugelsternhaufen M3 http://www.astrotec.org/cmo_astrobilder/kugelsternhaufen/slides/m3_190407_sf2b_5m_lh_1024x682.html Folie 38: Cosmos S. 447 Folie 40: http://hometown-pasadena.com/talk-of-our-towns/mt-wilson-threatened-station-fireupdate/ Folie 41: http://www.astrosurf.com/re/history_telescope.html Folie 43: http://www.aip.org/history/cosmology/ideas/larger-image-pages/pic-expandingslipher.htm Folie 44/45: Artikel Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung 53

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 54