Understanding who, where, when ...
Ein Verständnis wer, wo und wann wir sind ...
Die Astronomie, als eine der ältesten Wissenschaften, erforscht das Universum – den Kosmos als Gesamtheit aus Raum, Zeit und Materie. Bereits in antiken Zivilisationen beobachteten Menschen den Sternenhimmel. Herausragende Gelehrte, wie Aristarch, Aristoteles und Ptolemäus und über 1.000 Jahre später vor allem Kopernikus legten den Grundstein für unser Verständnis des Universums. Im 17. Jahrhundert revolutionierten Galilei, Kepler und Newton die Astronomie indem sie fundamentale Zusammenhänge erkannten. Heute erklärt die Theorie der kosmischen Evolution die Entstehung der Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer Staub- und Gaswolke. Astronomie bleibt ein faszinierendes Fenster zu den Geheimnissen des Universums und unserer eigenen Entstehungsgeschichte.
Der Zugang zu einem Verständnis gelingt (mir zumindest) leichter, wenn man sich die Anfänge der Astronomie im geschichtlichen Kontext verdeutlicht. Im Folgenden werden diese in einem kurzen Abriss zunächst anhand der herausragenden Autoritäten (und deren Hauptwerken) dargestellt.
Historia est testis temporum, lux veritatis, vita memoriae, magistra vitae
(Cicero)
oder auch
Videmus nunc per speculum in aenigmate tunc autem facie ad faciem.
(1. Korintherbrief, Kapitel 13, Vers 12)
Aristoteles (384 - 322 v. Chr.)
Über den Himmel (lat. „De Caelo“) ist das Hauptwerk des griechischen Universalgelehrten, in dem er sein Verständnis des Kosmos darlegte. In diesem Buch beschäftigt sich Aristoteles mit der Natur und der Beschaffenheit des Himmels und der Gestirne. Er unterscheidet zwischen dem unveränderlichen Himmel, in dem die Sterne und Planeten ihre Bahnen ziehen und der sublunaren Region, die die Welt der Veränderung und des Werdens umfasst. Aristoteles entwickelt in diesem Werk seine Theorie der natürlichen Bewegung und erklärt die unterschiedlichen Bewegungen der Himmelskörper.
Dabei spielt die Idee der Sphären eine zentrale Rolle. „Über den Himmel“ ist ein bedeutendes Werk der antiken Naturphilosophie und Astronomie, das die Vorstellungen über das Universum in der Antike maßgeblich beeinflusst hat.
Claudius Ptolemeus (ca. 100 bis 160 n.Chr.)
Die erste Zusammenfassung des astronomischen Wissens seiner Zeit verfasste Ptolemeus im Werk „Mathematices syntaxeos biblia XIII“, welches im neunten Jahrhundert von den Arabern entdeckt wurde und als „Almagest“ nach Europa gelangte. Es sollte das Standardwerk der mathematischen Astronomie vom zweiten bis zum 17. Jahrhundert werden.
Ptolemeus galt als der Begründer des geozentrischen Weltsystems, wobei die Erde dabei im Mittelpunkt des Universums ruhte. Bereits etwa 400 Jahre zuvor stellte schon Aristarch ein heliozentrisches Weltsystem vor, das jedoch aufgrund mangelnder empirischer Beweise, wissenschaftlicher Vorlieben und politischer/religiöser Einflüsse in der antiken Welt nicht weiterverfolgt wurde und in Vergessenheit geraten war. Erst Nikolaus Kopernikus sollte es wiederentdecken und weiterentwickeln.
Ab Mitte des zwölften Jahrhunderts wurde eine arabische Fassung des Almagest durch Gerhard von Cremona ins Lateinische übersetzt. Die bekannteste Übersetzung stammte von Regiomontanus, dem deutschen Astronom und Mathematiker (eigentlich Johannes Müller).
Eine Zusammenfassung der Übersetzung von Regiomontanus, der sogenannte Epitom, wurde im Jahr 1496 gedruckt und war für Jahrzehnte eine der wichtigsten Grundlagen der Astronomie. Auch Nikolaus Kopernikus war Besitzer eines Exemplars.
Im Mittelalter wurden Ptolemäus‘ Ideen in Europa weiterhin akzeptiert und man berief sich auf die antiken Philosophen, vornehmlich Aristoteles. Die Rolle der Kirche in Bezug auf die Fortschritte in der Astronomie von Ptolemäus bis Kopernikus war komplex und vielschichtig.
Das ptolemäische Weltbild wurde von der römisch-katholischen Kirche unterstützt und gefördert, es passte schließlich gut zur religiösen Vorstellung, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei. Dies sollte sich erst mit dem Beginn der Neuzeit durch Kopernikus ändern.
Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543)
In seinem Hauptwerk „De revolutionibus orbium coelestium“ (Über die Umschwünge der himmlischen Kreise bzw. Über die Umlaufbahnen der Himmelssphären, 1543) beschreibt er, dass sich die Erde und die weiteren fünf – mit bloßem Auge sichtbaren – Planeten (Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn) um die Sonne bewegen und begründet damit (erneut, siehe Aristarch von Samos) das heliozentrische Weltbild.
Kopernikus hatte erste Thesen zum heliozentrischen Weltbild schon zuvor (wahrscheinlich um 1509) in seinem „Commentariolus“ (De hypothesibus motuum coelestium a se constitutis commentariolus) veröffentlicht, diese jedoch noch nicht mathematisch begründet. Eines von drei Exemplaren des – erst 1877 wieder aufgetauchten – Manuskriptes befindet sich in der österreichischen National-bibliothek in Wien. Beleg für die Existenz des Buches war zunächst nur eine Notiz von Tycho Brahe in einem seiner Werke (links: das Deckblatt des Wiener Manus-kriptes, rechts: Seite aus „De revolutionibus …“).
Die kopernikanische Wende, die von „De Revolutionibus“ ausgelöst wurde, markiert schließlich den Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit.
Tycho Brahe (1546 – 1601)
Tycho Brahe war ein bedeutender dänischer Astronom des 16. Jahrhunderts, der sich durch präzise und umfangreiche Himmelsbeobachtungen einen Namen in der astronomischen Szene seiner Zeit gemacht hatte. Seine genauen Aufzeichnungen von Planeten- und Sternenbewegungen waren wegweisend und legten die Grundlage für die spätere astronomische Forschung. Während Brahe selbst an ein geozentrisches Weltsystem glaubte, halfen seine Beobachtungen, die Modelle dieser Zeit zu verfeinern und genauer zu gestalten.
Tycho Brahe beobachtete (am 11. November 1572) und dokumentierte (1573) eine Supernova („Nova Stella“) im Sternbild Cassiopeia (heute als „Brahe`s Star“ oder SN1572 bekannt).
Mit der Beobachtung von SN 1572 durch Tycho Brahe wurde das herrschende Weltbild in Frage gestellt. Aristoteles hatte in seinem Werk „Über den Himmel“ die Hypothese formuliert, dass sich Änderungen nur auf der Erde ereigneten, wohingegen die Ereignisse am Himmel ewig gleich abliefen. Diese Hypothese hatte sich bis zur Zeit Tycho Brahes durchgesetzt und war Bestandteil des allgemein anerkannten Wissens geworden. Durch die Beobachtung der Supernova wurde die Hypothese von Aristoteles empirisch widerlegt und damit die Notwendigkeit eines neuen Weltbilds offenkundig.
Tycho Brahe beobachtete im Jahr 1577 auch einen Kometen (Tycho`s Comet, 12. November 1577, C/1577 V1). Er hatte einen Schweif von 50° Länge und war „so hell wie der Mond“ (zum Vergleich: der Vollmond (und auch die Sonne) im Gradmaß einen (mittleren scheinbaren) Durchmesser von ca. 31 Bogenminuten. Das entspricht nur etwa einem halben Grad!). Der Komet spielt in der Geschichte der Kometenforschung eine bedeutende Rolle, da für ihn zum ersten Mal schlüssig bewiesen wurde, dass er sich außerhalb der Erdatmosphäre befand. Bis dato war man überzeugt, dass Kometen eine „Erscheinung der Atmosphäre“ sein würden. Diese Beobachtungen trugen zur Veränderung der Vorstellungen von einem unveränderlichen Himmel bei.
Brahe entwickelte weiters neue astronomische Instrumente, darunter das Quadrant, um genaue Messungen der Himmelskörper zu ermöglichen. Nach Brahes Tod übernahm Johannes Kepler seine Beobachtungsdaten und nutzte sie, um seine berühmten Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung zu formulieren.
Tycho Brahes Arbeit legte den Grundstein für die wissenschaftliche Revolution in der Astronomie und half, das geozentrische Weltbild in Frage zu stellen. Seine akribischen Beobachtungen und genauen Datensätze dienten als Grundlage für die Arbeiten seiner Zeitgenossen und folgenden Astronomen, die das heliozentrische Modell und die moderne Astronomie vorantrieben.
Galileo Galilei (1564 – 1642) und Johannes Kepler (1573 - 1643)
Galileo Galilei und Johannes Kepler waren zwei der bedeutendsten Astronomen und Wissenschaftler des frühen 17. Jahrhunderts, die maßgeblich zur Entwicklung der Astronomie beigetragen haben. Ihre Arbeit half, die Grundlagen der modernen Astronomie zu legen.
Galileo war der Erste, der das Teleskop zur Himmelsbeobachtung einsetzte. 1609 baute er ein Teleskop und begann, den Himmel zu erkunden. Er entdeckte Krater und Berge auf dem Mond, die Phasen der Venus und die Monde des Jupiter. Diese Beobachtungen widerlegten einige geozentrische Vorstellungen, da sie zeigten, dass Himmelskörper nicht alle um die Erde kreisen.
Galileo beobachtete auch den Saturn und seine Ringe, obwohl er sie nicht genau identifizieren konnte. Er kritisierte das aristotelische Weltbild und die Ptolemäische Astronomie, die zu seiner Zeit immer noch vorherrschend waren. Seine Beobachtungen unterstützten die kopernikanische Theorie von einem heliozentrischen Weltsystem, in dem die Erde und die Planeten um die Sonne kreisen.
Sidereus Nuncius ist der Titel einer Schrift, die Galilei im März 1610 veröffentlichte und mit der er seinen Ruf als Astronom begründete. Der Sidereus Nuncius wurde in lateinischer Sprache in einer Auflage von 550 Exemplaren gedruckt. Darin veröffentlichte Galilei erste astronomische Beobachtungen mit einem Teleskop.
Galileo betonte die Bedeutung der empirischen Forschung und der experimentellen Methode. Er argumentierte, dass Theorien durch Beobachtungen und Experimente gestützt werden sollten. Schließlich geriet Galileo in Konflikt mit der katholischen Kirche, da seine Ideen als ketzerisch galten. Er wurde 1633 von der Inquisition verurteilt und gezwungen, seine Theorien öffentlich zu widerrufen.
Johannes Kepler entwickelte nahezu zeitgleich seine berühmten Gesetze der Planetenbewegungen, wonach die Planeten auf elliptischen Bahnen um die Sonne kreisen (1. Kepler`sches Gesetz), die Linie, die einen Planeten mit der Sonne verbindet, in gleichen Zeiten gleiche Flächen überstreicht (2. Kepler`sches Gesetz) und die Umlaufzeiten der Planeten mit ihren Entfernungen zur Sonne in Zusammenhang stehen (3. Kepler`sches Gesetz).
Kepler’s Entdeckung der elliptischen Umlaufbahnen führte dazu, dass er die genauen Berechnungen für die Marsbewegung durchführte. Seine Modelle halfen, die von Tycho Brahe gesammelten Beobachtungsdaten zu erklären und zu verbessern.
Johannes Kepler macht in seinem Hauptwerk „Astronomia nova aitiologetos seu physica coelestis“ vor allem die neue Methode deutlich, mit er zu seinen Bewegungsgesetzen der Planeten gelangt. Er baut seine Erkenntnisse auf Beobachtungen und mathematischen Interpretationen auf. Während Kopernikus und andere Gelehrte vor ihm von rein geometrischen Darstellungen der Planetenbewegungen ausgingen, findet man in der „Neuen Astronomie ursächlich begründet oder Physik des Himmels“ die ersten Ansätze einer Himmelsmechanik, wie es der vollständig lautende Titel bereits ankündigt. Kepler ist jedoch mit seinem Versuch, eine allgemeine Gültigkeit der physikalischen Gesetze auf der Erde wie auch im Weltraum abzuleiten, der Vorstellung seiner Zeitgenossen weit voraus.
Schließlich führten Keplers Gesetze zu einem Paradigmenwechsel in der Astronomie. Sie ermöglichten genauere Berechnungen und Vorhersagen der Planetenbewegungen, was die Grundlage für spätere Entwicklungen der Himmelsmechanik und Gravitationstheorien legte.
Die Arbeit von Galileo Galilei und Johannes Kepler war entscheidend für die astronomische Entwicklung. Galileos Teleskop und Beobachtungen halfen, die heliozentrische Theorie von Nikolaus Kopernikus zu unterstützen und die alten geozentrischen Vorstellungen herauszufordern. Keplers Gesetze und seine Methodik lieferten präzise mathematische Modelle für die Bewegung der Planeten, die das Verständnis des Sonnensystems revolutionierten und zur späteren Entwicklung der Gravitationstheorien von Isaac Newton beitrugen. Ihre Arbeit legte den Grundstein für die moderne Astronomie.
Isaak Newton (1642 - 1727)
Die zu ihrer Masse direkt proportionale und die in Abhängigkeit der Entfernung umgekehrte proportionale Gravitationskraft sollte nun schließlich Keplers Gesetze bestätigen.
Die 1687 veröffentlichten „Principia“ (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, oft auch Principia Mathematica oder einfach Principia genannt) gelten als eines der wichtigsten wissenschaftlichen Werke in der Geschichte und haben die Grundlage für die moderne Physik gelegt. Ua Bild zeigt Newtons persönliches Exemplar mit seinen handschriftlichen Anmerkungen. Herausragend waren Newtons Leistungen auch im Bereich der Optik – die unterschiedliche Brechung des Lichts bei Linsenteleskopen veranlasste ihn bereits 1668 zur Entwicklung des ersten Spiegelteleskops (heute noch als Newton-Teleskop bezeichnet).
William Herschel (1738 - 1822)
William Herschel war ein bedeutender Astronom des 18. Jahrhunderts mit zahlreichen herausragenden Leistungen. Im Jahr 1781 entdeckte Herschel den Planeten Uranus, was zu einer Erweiterung des bekannten Sonnensystems führte und seine Bekanntheit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft enorm steigerte. Herschel führte umfangreiche Himmelsdurchmusterungen durch und erstellte den ersten systematischen Katalog von Deep-Sky-Objekten, darunter Galaxien, Nebel und Sternhaufen. Dies trug wesentlich zum Verständnis der Struktur des Universums bei. Er entdeckte schließlich auch die Existenz von Infrarotstrahlung, indem er die Temperaturen der Farbspektren von Sonnenlicht bestimmte. Dies war ein wichtiger Schritt zur Erkenntnis, dass das Lichtspektrum mehr als nur das für das menschliche Auge sichtbare Licht umfasst.
Herschel trug zum Verständnis der Natur von Sternen bei, indem er ihre Farben, Helligkeiten und Entfernungen systematisch untersuchte. Er entwickelte auch Theorien über die Struktur der Milchstraße.
John Herschel (1792 - 1871)
Der Sohn von William Herschel setzte die Arbeit seines Vaters fort und trug zur Erforschung von Sternhaufen, Nebeln und der südlichen Hemisphäre bei. Er war auch ein Pionier in der Fotografie von Himmelsobjekten.
1820 gründete er zusammen mit seinem Vater und anderen die Astronomical Society, aus der 1831 die Royal Astronomical Society wurde. John Herschel entdeckte unter anderem, dass die Magellanschen Wolken keine Nebel sind, sondern aus Myriaden von Sternen bestehen. Es entstanden neben weiteren Veröffentlichungen elf Kataloge von Doppelsternen, und ein Katalog von 5079 Nebeln und Sternhaufen wurde 1864 veröffentlicht. Ein Katalog von 10.300 Doppel- und Mehrfachsternen erschien posthum 1874. John Herschel führte auch das Julianische Datum in die Astronomie ein.
Henrietta Swan Leavitt (1868 - 1921)
Henrietta Swan Leavitt arbeitete an der Harvard-Sternwarte an der Auswertung von astronomischen Daten und entdeckte 1912 die Perioden-Leuchtkraftbeziehung der sogenannten Cepheiden-Sterne. Dieser fundamentale Zusammenhang, bekannt als Leavittsches Gesetz, ermöglicht Astronomen, die Entfernungen zu Cepheiden-Sternen zu bestimmen, indem sie die beobachtete Helligkeit mit der absoluten Helligkeit in Beziehung setzen. Da Cepheiden in Galaxien weit entfernter als unsere Milchstraße beobachtet werden können, haben sie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung von Entfernungen zu anderen Galaxien und trugen maßgeblich zur Entwicklung des kosmischen Entfernungsmaßstabs bei.
Henrietta Swan Leavitt am Harvard College Observatory
Edwin Hubble (1889 - 1953)
Edwin Powell Hubble wurde 1889 in Missouri, geboren. Er zeigte früh Interesse an Wissenschaft und Astronomie. Nach seinem Studium an der University of Chicago und dem Erwerb seines Doktorgrades an der Yale University im Jahr 1917 diente Hubble während des Ersten Weltkriegs in der Armee.
Nach dem Krieg wandte er sich wieder der Astronomie zu und begann seine Karriere am Mount Wilson Observatory in Kalifornien, das zu dieser Zeit eines der führenden Observatorien der Welt war. Seine Arbeit und Forschung legten den Grundstein für seine späteren bahnbrechenden Entdeckungen.
In den 1920er Jahren begann Hubble, systematische Untersuchungen von scheinbaren Nebeln durchzuführen. Dabei erkannte er, dass diese Nebel tatsächlich eigenständige Galaxien außerhalb unserer Milchstraße sind. Diese Entdeckung revolutionierte das damalige Verständnis des Universums und eröffnete neue Horizonte für die Astronomie.
Hubbles bahnbrechendste Entdeckung war das Hubble-Gesetz, das er 1929 präsentierte. Durch die Beobachtung von Galaxien und ihrer Rotverschiebung stellte er fest, dass es einen klaren Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und ihrer Rotverschiebung gibt. Dies legte nahe, dass das Universum expandiert. Die Erkenntnis, dass sich die Galaxien voneinander entfernen, legte den Grundstein für die Urknalltheorie.
Die nach ihm benannte Hubble-Konstante (Ho=70 km/s/MPc) beschreibt die Expansion des Universums.
Mathematisch wird die Hubble-Konstante als Ho dargestellt und hat Einheiten von Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc). Ein Megaparsec ist eine astronomische Einheit für Entfernungen im Universum und entspricht ca. 3,26 Millionen Lichtjahren).
Die Hubble-Konstante ist eine Schlüsselgröße in der Kosmologie, insbesondere im Rahmen des Hubble-Gesetzes, das eine lineare Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie und ihrer Rotverschiebung beschreibt. Diese Beziehung wurde von Edwin Hubble in den 1920er Jahren empirisch festgestellt.
Das Hubble-Gesetz lautet mathematisch:
wobei:
- die Geschwindigkeit ist, mit der sich eine Galaxie von uns entfernt (durch die Rotverschiebung gemessen),
- die Hubble-Konstante ist,
- die Entfernung der Galaxie ist.
Die genaue Bestimmung der Hubble-Konstanten war und ist Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Untersuchungen, da ihre präzise Messung entscheidend ist, um das Alter des Universums und andere kosmologische Parameter zu bestimmen
Die kosmologische Rotverschiebung beschreibt die Beobachtung, dass das Spektrum von Licht von weit entfernten Galaxien hin zu längeren Wellenlängen verschoben ist, was auf die Ausdehnung des Universums zurückzuführen ist (ähnlich dem Doppler-Effekt, wonach sich weg bewegende Quellen langwelligere Strahlung zeigen – hin zum akustisch tiefen bzw. optisch roten Bereich). Diese Erkenntnis half, die Vorstellung von einem statischen, unveränderlichen Universum zu überwinden und führte zu einem dynamischeren Bild, das mit der Urknalltheorie in Einklang steht.
Insgesamt haben die Leistungen von Edwin Hubble die Art und Weise, wie wir das Universum verstehen, grundlegend verändert. Seine Entdeckungen haben nicht nur die Astronomie und Kosmologie beeinflusst, sondern auch das grundlegende Weltbild der Menschheit erweitert und vertieft. Edwin Hubble wird daher zu Recht als einer der wichtigsten Astronomen des 20. Jahrhunderts betrachtet