Kolumne: Aleks Scholz: Lichtjahre später (1)


Der Weltraum, unendliche Weiten. Wie oft haben wir uns beim Nachdenken über Zeit und Raum, Entfernungen und Größen und Astrophysik schon das Gehirn verrenkt. Diese Zeiten sind nun vorbei. In der neuen Kolumne „Lichtjahre später” wird uns Autor und Astronom Aleks Scholz nun regelmäßig alles erklären, was wir wissen müssen: Bis zur Unendlichkeit und noch viel weiter! Heute:

Aleks Scholz. Foto: Ira Struebel

 Objects in astronomy may appear bigger than they actually are

1.400.000 Kilometer. Ungefähr diese Strecke hat ein Mensch zurückgelegt, der zweieinhalb Jahre lang ununterbrochen mit der Transsibirischen Eisenbahn gefahren ist, insgesamt 150-mal die gesamte Strecke. Die Zahl steht für zweieinhalb Jahre lang eingesperrt sein in russischen Zügen, die von Moskau über Wolga, Ural, Baikalsee, nach Vladivostok am Pazifik fahren, 400-mal das einzige Buch, das man mitgenommen hat, zu Ende lesen, 1000 Samoware Tee leer trinken, 3000-mal beim Einschlafen Schwellen zählen, 7000-mal resigniert mit dem Kopf schütteln, wenn man gefragt wird, ob der Platz gegenüber besetzt ist, 11000-mal Fahrkarte vorzeigen, 12000-mal auf dem Bahnsteig auf- und ablaufen, 33000-mal fragen, wofür das alles gut sein soll und wieso man nicht was anderes tut. Alle Zahlen sind grobe Schätzwerte, your mileage may vary.

Außerdem steht die Zahl für den Durchmesser eines Sterns, keines speziellen Sterns, irgendeines Sterns, der so ähnlich ist wie die Sonne. Tatsächlich sind die meisten Sterne kleiner als die Sonne, aber einige deutlich größer. Arktur: 25-mal so groß wie die Sonne. Rigel: 80-mal. Beteigeuze: 1200-mal. Das sind, man muss es so klar sagen, sehr große Sterne. Der größte bekannte trägt den kryptischen Namen VY Canis Majoris, steht im Sternbild Großer Hund und ist zwar mit dem bloßen Auge nicht erkennbar, jedoch womöglich 2000-mal so groß wie die Sonne. Wenn VY Canis Majoris an Stelle der Sonne stünde, dann befänden sich Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn innerhalb des Sterns und würden sich auf der Stelle in Atomsuppe verwandeln.

Diese Zahlen sind nicht nur deshalb so verstörend, weil sie so groß sind, sondern weil sie angeblich Dinge beschreiben, die auf den ersten Blick extrem winzig aussehen. Wir sehen Sterne als Lichtpunkte oder, in einem einzigen günstigen Fall (der Sonne), als eine helle Lichtscheibe am Himmel, die man problemlos mit einer ausgestreckten Hand abdecken kann. Hinter dieser Hand verbirgt sich ein Gasball mit 1,4 Millionen Kilometer Durchmesser oder 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Kilogramm glühendes Gas. Wer kann damit rechnen, dass dieses winzige Zeug, das nicht viel anders aussieht als Weihnachtsbaumschmuck, in Wahrheit nicht nur größer ist als alles andere auf der Erde, sondern gleich dermaßen viel größer, dass die Vorstellung versagt und man Zuflucht zu albernen Analogien mit russischen Zügen nehmen muss?

Es verwundert nicht, dass es lang gedauert hat, bis sich diese bestürzenden Erkenntnisse durchgesetzt hatten. Bis ins 18. Jahrhundert wurde die Helligkeit von Sternen mit ihrer Größe verwechselt – helle Sterne sind groß, weniger helle klein, so dachten sich die Experten das. Und so wahnsinnig abwegig ist das nicht, wenn man mal unbefangen nachts an den Himmel sieht. Sterne erscheinen eben nicht wirklich als Punkte, sondern haben eine, zwar kleine, aber messbare Ausdehnung, was vor allem mit den Turbulenzen in der Erdatmosphäre und mit der Unvollkommenheit des menschlichen Auges zu tun hat. Der dänische Astronom Tycho Brahe (1546–1601) – ein Präzisionsfanatiker mit den besten Daten seiner Zeit – maß ganz genau nach und fand heraus, dass der scheinbare Durchmesser der Sterne am Himmel für die hellsten Sterne zwei Bogenminuten beträgt, der dreißigste Teil eines Grades.

Das ist ein Fünfzehntel des scheinbaren Durchmessers der Sonne. Aber wie groß sind die Geräte wirklich? Dazu muss man zusätzlich Mutmaßungen über die Entfernung anstellen. Ein Stern wie Beteigeuze müsste, von Brahes Messungen ausgehend, 15-mal so weit von uns entfernt sein wie die Sonne, um genauso groß zu sein. Wenn das so wäre und sich die Erde außerdem um die Sonne dreht, wie Kopernikus ein paar Jahrzehnte vorher schamlos behauptet hatte, dann würde man erwarten, dass sich Beteigeuze und alle anderen Sterne scheinbar am Himmel hin- und herbewegten, weil man je nach Position der Erde einen anderen Blickwinkel auf die Sterne hat: Man würde mit bloßem Auge sehen, wie die Erde um die Sonne wandert. Die Sterne würden sich relativ zueinander am Himmel verschieben, und zwar so viel, dass Orion im Juni anders aussähe als Orion im Januar. Unsere schönen Sternbilder wären kaputt.

Was offenbar nicht so ist, Orion sieht immer genau gleich aus. Selbst Brahe mit seinen Supermessungen konnte keine Veränderung feststellen, Sommer oder Winter, die Sterne standen wie festgenagelt immer genau am selben Ort der Himmelskugel. Es gab nur zwei Auswege: Entweder sind die Sterne in Wahrheit viel weiter weg als die Sonne, nicht nur ein bisschen, sondern richtig weit weg. Dann wäre ihre scheinbare Bewegung am Himmel, die Projektion der Erdbewegung um die Sonne, so klein, dass man sie nicht sehen könnte. Allerdings hätte dies, immer noch ausgehend von Brahes Messungen, zur Folge, dass die Sterne riesengroß sein müssten, hundertfach größer als die Sonne. Und zwar alle – die Sonne wäre mit Abstand der kleinste Stern auf der Welt. Das ist vollkommen absurd, sagt Brahe, die Sterne können nicht so riesenhaft sein im Vergleich zur Sonne, was nur einen Schluss übrig lässt: Die Erde dreht sich in Wahrheit nicht um die Sonne.

 

Alles voller Sterne

 

Das ist tatsächlich der einzige Ausweg für Brahe, er musste auf der Basis seiner Messungen, die zu seiner Zeit der Goldstandard waren, zu dem Schluss kommen, dass Kopernikus Unfug behauptet und das heliozentrische Weltbild – Sonne im Zentrum, Erde zieht Kreise – Quatsch ist. Die Anhänger von Kopernikus konnten gegen diese plausiblen, streng wissenschaftlichen Schlüsse auch nicht viel unternehmen, ihr wesentliches Konterargument sah in etwa so aus: Gott kann die Sterne so groß machen, wie er will, wir müssen das nicht verstehen. Heute würde man sich viel Spott einhandeln, würde man solche Argumente in astronomische Debatten einbringen, man würde die Kopernikaner des 16. Jahrhunderts als religiöse Fanatiker beschimpfen, ihnen die Forschungsgelder sperren und sie nicht mehr auf Tagungen einladen. Brahe waren theologische Argumente ansonsten nicht fremd, hier jedoch verweigerte er sich. Brahe hatte recht, obwohl er, wie wir heute wissen, unrecht hatte.

Und das alles nur, weil die Sterne am Himmel so hell und damit für das bloße Auge so groß aussehen. Im 17. Jahrhundert kamen die ersten Fernrohre in den Umlauf, was das Problem zwar nicht löste, aber neue Fehler ins Spiel brachte: Im Teleskop sehen Sterne wie kleine Scheibchen aus – wenn man genau hinsieht, erkennt man ein Scheibchen, umgeben von ein paar schwächeren Lichtringen. Dabei handelt es sich um einen optischen Effekt, der durch die Beugung des Lichts an der Linse des Fernrohrs hervorgerufen wird. Heute lernen Physikstudenten das ungefähr im zweiten Semester.

Galileo Galilei und die anderen mit Fernrohren bewaffneten Astronomen des 17. Jahrhunderts konnten schlecht die Physikstudenten von heute fragen und gingen daher davon aus, dass es sich bei diesen Scheibchen schon um die echten Sterngrößen handeln würde. Es sieht aus wie ein Stern, also wird es wohl einer sein. Nach Galileo haben die hellsten Sterne am Himmel einen Durchmesser von 5 Bogensekunden, 60-mal kleiner als Brahes Wert, allerdings immer noch zu groß, um das oben geschilderte Problem zu lösen. Die Sonne müsste immer noch kleiner sein als die anderen sichtbaren Sterne, um das kopernikanische System zu retten. Wenn die Sonne also ein Stern wäre, wie Galileo behauptet, dann müsste es sich um einen sehr seltsamen, einmalig winzigen Stern handeln. Was Galileo nicht davon abhielt, an das kopernikanische Weltbild zu glauben, ein Denkfehler, der seinem Ruf langfristig kaum geschadet hat. Galileo hatte unrecht, obwohl er recht hatte.

Die Debatte über die Frage, ob sich jetzt die Erde um die Sonne dreht oder umgekehrt, geozentrisches gegen heliozentrisches Weltbild, wird oft als ein Kampf der Ideologien beschrieben. Auf der einen Seite die fortschrittlichen Wissenschaftler, die durchs Teleskop sehen, nachdenken, und dann ist alles klar, die Wahrheit offensichtlich, die Erde kann gar nicht im Zentrum des Kosmos stehen. Auf der anderen Seite die religiösen Dogmatiker, die dem Fortschritt Knüppel zwischen die Beine werfen, mit unziemlichen Mitteln wie Publikationsverbot, Hausarrest, Verbrennung auf dem Scheiterhaufen.

Diese schöne einfache Erzählung ist vor allem genau das, eine Erzählung, mit der Wirklichkeit nur sehr entfernt verwandt. Die große kosmologische Kontroverse um das kopernikanische Weltbild war tatsächlich deutlich schwieriger – und auch deutlich interessanter. Unter anderem, weil es bis Ende des 17. Jahrhunderts, deutlich nach Galileos Tod, ein paar handfeste, rein wissenschaftliche Gründe gab, die Erde da zu lassen, wo sie war, nämlich im Zentrum von allem. Andererseits natürlich auch jede Menge gute Gründe, sie woanders hinzustellen, wie sich das für ordentliche Debatten gehört. Erst im Jahr 1729 beobachtete der Engländer James Bradley, später Hofastronom des englischen Königs, eine direkte Auswirkung der Bewegung der Erde um die Sonne (allerdings eine andere, als Brahe und Co. im Sinn hatten). Endlich konnte man mit reinem Gewissen daran glauben, dass sich die Erde doch bewegt.

Außerdem dämmerte im 18. Jahrhundert einigen, unter anderem Edmond Halley, dem Vorgänger von Bradley als Hofastronom, dass irgendwas nicht stimmen kann mit den Sterngrößen. Es dauerte jedoch bis ins 19. Jahrhundert, bis die Sternscheibchen als optischer Effekt enttarnt wurden und sich diese Erkenntnis bis zum letzten Hof herumgesprochen hatte. Wie groß Sterne wirklich sind, kam noch einmal deutlich später heraus. Im Jahr 1921 maß der Amerikaner Albert Michelson den Durchmesser von Beteigeuze, einem Stern, der in Wahrheit 100-mal kleiner am Himmel erscheint als von Galilei und 6000-mal kleiner als von Brahe vermutet. Zusammen mit der Entfernung ergibt das den tatsächlichen Durchmesser von Beteigeuze – 1200-mal größer als die Sonne. Ironischerweise lag Brahes Schätzwert bei Annahme des kopernikanischen Weltbildes (den, den er für absurd hielt) in derselben Größenordnung. Es gibt offenbar wirklich ein paar dieser riesenhaften Sterne, nur sah es für Brahe so aus, als müssten alle Sterne so groß sein.

Es ist nicht so, als gäbe es heute keine Probleme mehr mit Sternradien. Für die allermeisten Sterne können wir den Radius immer noch nicht direkt messen. Stattdessen nehmen wir irgendwas anderes, zum Beispiel die Helligkeit, und schätzen den Radius damit indirekt ab. Dafür braucht man wiederum ein Modell des Sterns, also ein Computerprogramm, das die Vorgänge im Sterninneren simuliert und uns am Ende mitteilt, wie hell ein Stern einer gegebenen Größe sein müsste. Damit dieses Modell richtig funktioniert, muss man natürlich vorher den gesamten Stern verstehen, was nicht so einfach ist. Ein Stern ist ein riesiger Ball aus ionisiertem Gas, der sich wie in einem Kochtopf bewegt, und der außerdem Magnetfelder erzeugt, Materie ausspuckt und noch alle möglichen anderen Dinge veranstaltet. Bisher gibt es keine Modelle, die all das berücksichtigen. Modellieren heißt vereinfachen und hoffen, dass die Sachen, die man weglässt, schon nicht so wichtig sind. In den letzten Jahren zum Beispiel stellte sich heraus, dass kleine Sterne, bei denen man den Radius messen kann, beträchtlich größer sind als die Modelle behaupten, 10, 20 Prozent in einigen Fällen, was unter anderem mit der Anwesenheit von Magnetfeldern zu tun haben könnte, aber wer weiß. Das heliozentrische Weltbild dürfte dieser Effekt nicht mehr umwerfen, so viel scheint sicher zu sein.

Die Anfangsfrage ist jedoch weiterhin offen: 1,4 Millionen Kilometer – wie soll man mit dieser kranken Zahl jetzt umgehen? Die wenigsten werden tatsächlich zweieinhalb Jahre mit der Eisenbahn durch Sibirien fahren, nur für einen Stern, dafür ist die Zeit zu knapp. Ganz zu schweigen davon, dass es sich nur um den Durchmesser von Sternen handelt, damit hat man noch lange nichts gelernt über die Entfernungen zu den Sternen, die im Vergleich zu den Durchmessern geradezu widerlich groß sind. Eventuell wird man darüber nochmals nachdenken müssen.

Aleks Scholz

Aleks Scholz, geboren 1975, ist Astronom und Schroedinger Fellow am „Institute for Advanced Studies“ in Dublin, Irland. Er befasst sich vorwiegend mit der Entstehung und der Entwicklung von Gelben, Roten und Braunen Zwergen. Foto: Ira Struebel. Aleks Scholz bei Google+.