Astronomie

Am 25. Mai 1842 stellte Christian Doppler der königlichen Böhmischen Gesellschaft sein Buch “Über das farbige Licht der Doppelsterne” vor und wurde damit in aller Welt berühmt.

Der Doppler-Effekt und die farbigen Sterne

Die Physiker hatten damals schon gelernt, die Frequenzen des Lichts (als elektromagnetische Schwingung) zu messen und stellten fest, dass rotes Licht eine kleinere Frequenz hat (ab 390 THz, das heißt 390 mit 12 Nullen Schwingungen in einer Sekunde) als blaues Licht (bis 770 THz).

Je schneller sich ein Stern von uns entfernt, desto mehr ist sein Licht zu kleineren Frequenzen, also zum Rot, hin verschoben. Das Licht bestimmter Elemente hat dabei kleinere Frequenzen als bei uns oder bei näheren Sternen wie dem kleinen gelben Stern Sonne.

Es war dabei eine große Hilfe, dass manche Stoffe nur eine ganz bestimmte Farbe (Frequenz) erzeugen (oder verschlucken). Bei der Untersuchung mit einem Glasprisma sieht man diese “Spektrallinien”.

Bei Doppelsternen kreisen meist ein kleinerer und ein größerer Stern um den gemeinsamen Schwerpunkt. Wenn ihre Bahnebene genau zur Erde weist, bedeckt der größere Stern regelmäßig den kleineren. Die Geschwindigkeit der beiden Sterne kann man zum Zeitpunkt des größten scheinbaren Abstands mit Hilfe der Dopplerverschiebung sehr genau bestimmen. Trotz mangelhaftem Wissen über die Farben der Sternarten zur Zeit Dopplers – er stellte eine für die Astronomie sehr brauchbare Theorie auf, die erst später als richtig bewiesen werden konnte.

Astronomie heute: die Möglichkeiten des Doppler-Effekts

Heute kann man mit Hilfe des Dopplereffekts nicht nur die Geschwindigkeiten der Sterne und Galaxien im Verhältnis zu uns berechnen, sondern auch ihre Entfernungen, die Rotationszeiten (Umdrehungszeiten), die Auswurfgeschwindigkeiten von Supernovae und vieles mehr. Auch die Erforschung von Röntgensternen ist somit möglich.

Die moderne Astronomie wäre ohne die Erkenntnisse Christian Dopplers nicht vorstellbar, ja gar nicht möglich.


Gastbeitrag von Dr. Julia Weratschnig, Haus der Natur, Kuratorin Astronomie

Was das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße über die Schwerkraft offenbart

This simulation shows the orbits of stars very close to the supermassive black hole at the heart of the Milky Way. One of these stars, named S2, orbits every 16 years and is passing very close to the black hole in May 2018. This is a perfect laboratory to test gravitational physics and specifically Einstein’s general theory of relativity. Research into S2’s orbit was presented in a paper entitled “Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“, by the GRAVITY Collaboration, which appeared in the journal Astronomy & Astrophysics on 26 July 2018.

Wann immer das Thema Astronomie diskutiert wird, kommt die Sprache unweigerlich auf Schwarze Löcher. Schwarze Löcher sind Objekte der Superlative, von welchen eine gewaltige Faszination ausgeht. In ihrer Erklärung kommt die uns bekannte Physik an ihre Grenzen: Sie sind extrem in allem, was wir uns vorstellen können, ein Sieg der Schwerkraft über alle anderen Naturkräfte. Materie, welche in das Schwarze Loch stürzt, verschwindet auf immer hinter dem Ereignishorizont. Um ein Schwarzes Loch zu verstehen, müssten wir Relativitätstheorie und Quantenphysik vereinen: ein Ziel, welches sich der Physik bisher entzogen hat.

Selbst Einstein zweifelte an seinen eigenen Vorhersagen und glaubte, dass Schwarze Löcher im Universum nicht vorkommen. Solche Ungeheuerlichkeiten durften nicht existieren.

Aber im zwanzigsten Jahrhundert verdichteten sich nicht nur Hinweise, dass es Schwarze Löcher gibt, sondern dass sie vielmehr keine seltenen Objekte sind.

Und während die indirekten Hinweise im Laufe der Jahre immer mehr wurden, bis Astronomen nicht mehr an der Existenz Schwarzer Löcher zweifelten, gelang 2018 das erste direkte Radiobild eines Schwarzen Lochs. Diese Aufnahme war besonders bemerkenswert, als sie fast exakt mit Vorhersagen und Simulation übereinstimmt – ein weiterer Hinweis auf die Korrektheit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Schwarze Löcher sind eigenartige Objekte. Es gibt stellare Schwarze Löcher – Sternenleichen, welche nach der Supernovaexplosion eines massereichen Sternes übrigbleiben; sie haben ein Vielfaches der Sonnenmasse – und es gibt supermassive Schwarze Löcher: wahre Massegiganten, die mehrere Millionen Mal so schwer sind wie unsere Sonne. Sogenannte „Intermediate Black Holes“, also Schwarze Löcher, welche zwischen diese beiden Extreme fallen, scheinen sehr selten zu sein.

Astronomen sind sich inzwischen sehr sicher, dass im Zentrum fast aller Galaxien ein Supermassives Schwarzes Loch sitzt. Das wissen Astronomen einerseits aus Beobachtungen von aktiven Galaxienkernen ferner Galaxien – aktiv bedeutet, dass Materie in das zentrale Schwarze Loch stürzt, ein Vorgang bei dem sehr viel Energie freigesetzt wird. Der einzige Vorgang, der diese Energiemengen freisetzen kann, besteht in der enormen Schwerkraftwirkung schwarzer Löcher. Diese Schwarzen Löcher, auch Quasare genannt, zählen ironischerweise zu den hellsten Objekten im Universum.

Auch in der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, sitzt ein supermassives Schwarzes Loch. Dieses Objekt – 26 000 Lichtjahre von der Erde entfernt – ist durch dichtes Gas und Staub der direkten visuellen Beobachtung verborgen. Auch befindet sich unser Schwarzes Loch nicht in einer aktiven Phase – es fallen also derzeit keine großen Mengen an Materie hinein. Direkte Beobachtungen sind also schwierig. Von der Anwesenheit des Schwarzen Loches wissen wir vor allem durch indirekte Messungen. Eine kleine Gruppe von Sternen umkreist das Schwarze Loch mit sehr hohen Geschwindigkeiten: der schnellste der bisher beobachteten Sterne dieser Gruppe erreicht sogar Geschwindigkeiten von acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit!

Astronomen stehen immer mehr Möglichkeiten offen, um auch diese verborgenen Gebiete zu erkunden: Jenseits des sichtbaren Lichts bieten Infrarot, Radio- und Gammastrahlen der Astronomie gänzlich neue Einblicke in himmlische Vorgänge. Die verschiedenen Wellenlängen werden somit verwendet, um verschiedene Sichtweisen auf ein bestimmtes Phänomen zu ermöglichen.

Dadurch konnten in den letzten Jahren die indirekten Beobachtungen und Nachweise von Vorgängen im Galaktischen Zentrum immer öfters auch durch direkte Beobachtungen überprüft werden.

Das Schwarze Loch im Zentrum – oder vielmehr, eben jenes Raumgebiet von dem wir ausgehen, dass es das Schwarze Loch beherbergt – wird von mehreren Sternen umkreist, die für einen Umlauf nur einige Jahre brauchen. Ihre Bewegung wird durch den Einsatz von Infrarot-Teleskopen genau beobachtet. Während sichtbares Licht von Staubwolken zwischen uns und dem Zentrum der Milchstraße absorbiert wird, kann elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich diese durchdringen. Im Raumgebiet um ein Schwarzes Loch wird erwartet, starke Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu sehen. Das Zentrum der Milchstraße ist wie ein Riesenlabor für Gravitationsforschung.

Und was hat das alles mit Christian Doppler zu tun?

Der nach Christian Doppler benannte Doppler Effekt beschreibt die Veränderung der Wellenlänge abhängig vom Bewegungszustand einer Quelle beziehungsweise des Empfängers. Aus dem Alltag kennen wir diesen Effekt sehr gut bei Schallwellen, zum Beispiel die Tonhöhenverschiebung der Sirene eines vorbeifahrenden Polizeiautos. In der Astronomie dient die Beobachtung des Doppler Effekts an Spektrallinien sichtbaren Lichts dazu, um Bewegungen radial zur Erde hin oder von der Erde weg zu vermessen. Viele Doppelsterne, und Exoplaneten verdanken ihre Entdeckung unter anderem dem Doppler Effekt.

Charakteristische Spektrallinien existieren nicht nur im sichtbaren Licht der Sterne sondern auch in allen anderen Wellenlängen. Im Infrarotlicht werden zum Beispiel Linien von Wasserstoff und Helium vermessen.

Wenngleich der Doppler Effekt mit klassischer Physik erklärbar ist, so müssen bei hohen Geschwindigkeiten auch Effekte der speziellen Relativitätstheorie – wie Zeitdilatation – für die korrekte Beschreibung der Wellenlängenverschiebung hinzugezogen werden.

Zusätzlich gibt es – außer der relativen Bewegung von Quelle und Empfänger zueinander – noch weitere physikalische Ursachen für eine Wellenlängenverschiebung. Wenn eine elektromagnetische Welle von einem Objekt großer Masse ausgesendet wird, so muss sie die Schwerkraft überwinden und verliert dabei laut der Allgemeinen Relativitätstheorie Energie, d.h. die Wellenlänge wird größer. In diesem Fall spricht man von einer gravitativen Rotverschiebung (in der Fachliteratur manchmal auch als Gravitativer Doppler Effekt bezeichnet), die nicht durch die Bewegung von Lichtquelle oder Empfänger verursacht wird. Auch diese muss für die Bewegung von Objekten im Umfeld eines Schwarzen Loches in die Deutung des Signals einbezogen werden. (Die kosmische Expansion verursacht ebenfalls eine Rotverschiebung. Diese rührt von der Ausdehnung des Raumes an sich her.)

Die Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße erlaubt es Astronomen, unter Verwendung des Doppler Effekts verschiedene Vorhersagen der Relativitätstheorie zu testen. Mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO wurde eine kleine Gruppe von Sternen, welche das zentrale Schwarze Loch auf sehr engen Bahnen umkreisen, genau beobachtet. Daten aus mehr als zwei Jahrzehnten wurden für die Studie ausgewertet.

Insbesondere einer dieser Sterne steht im Zentrum der Studien: Der Stern S2, welcher bei seiner Umkreisung des Schwarzen Loches im Periastrum (dem Punkt der größten Annäherung) auf immerhin fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. Bei diesen enormen Geschwindigkeiten spielen erwartungsgemäß relativistische Effekte eine große Rolle.

Astronomen untersuchten die Verschiebung der Wellenlänge des ausgesandten Lichts während der Umkreisung des Schwarzen Loches genau.

Diese Messungen stimmen mit Vorhersagen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie genau überein. Das extreme Labor im Zentrum der Milchstraße hat also wieder einmal Aussagen der Relativitätstheorie bestätigt! Aus den Bahnparametern des Sternes S2 folgt eine Masse des Schwarzen Loches von 4.1 Millionen Sonnenmassen.

Noch eine weitere Vorhersage der Relativitätstheorie wurde während der Beobachtungen des Orbits des Sternes S2 um das Schwarze Loch getestet – und zwar die Präzession der Umlaufbahn. Dieser Effekt bedeutet, dass sich die elliptische Umlaufbahn mit der Zeit um das Schwarze Loch dreht. Der Effekt der Perihel Drehung ist auch bei der Bahn des Planeten Merkur bekannt. Der genaue Wert konnte erst durch die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt werden.

Die beim Stern S2 beobachtete Präzession pro Umlauf ist allerdings auf Grund der dort herrschenden enormen Schwerkraft gut 500-mal so groß wie beim Merkur!

Nobelpreis für Physik 2020
Blogbeitrag zum Nobelpreis für Physik 2020

Zum Nachlesen:

https://www.eso.org/public/news/eso2006/

https://www.eso.org/public/news/eso1825/

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/04/aa37813-20/aa37813-20.html

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab9c1c


Gastbeitrag von Dr. Julia Weratschnig, Haus der Natur, Kuratorin Astronomie

Von Christian Doppler zum Nobelpreis 2019

In der Astronomie spielt der Doppler Effekt eine große Rolle, vor allem um Radialgeschwindigkeiten (auf die Erde zu / von der Erde weg) von Himmelsobjekten zu bestimmen: Bewegt sich z.B. ein Stern auf die Erde zu, so wird die Frequenz des vom Stern zu uns gelangenden Lichtes größer, bewegt er sich von der Erde fort, wird die Frequenz kleiner (Blau- bzw. Rotverschiebung). Bewegt sich ein Objekt auf einer Kreisbahn, so sehen wir also manchmal rot- und manchmal blauverschobenes Licht.

Dieses Verhalten kann bei Doppelsternsystemen, bei denen zwei Sterne um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen, sehr gut beobachtet werden. Aber auch Planeten, welche einen Stern umkreisen, verschieben das Massezentrum des Systems: Nicht nur der Planet kreist um den Stern, auch der Stern bewegt sich um dieses gemeinsame Massezentrum: er kreiselt. Dieser Effekt ist umso stärker ausgeprägt, je größer die Masse des Planeten ist. Mit hochauflösenden astronomischen Geräten kann diese Dopplerverschiebung des Sternenlichts beobachtet werden, und somit ein nicht selbstleuchtender Planet im System nachgewiesen werden.

Eine Hälfte des Nobelpreises für Physik 2019 wurde an die beiden Astrophysiker Michel Mayor und Didier Queloz verliehen. Dank exakter Vermessung der Dopplerverschiebung von Sternenlicht entdeckten sie im Oktober 1995 den ersten Exoplaneten, welcher einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Dieser Exoplanet war außerdem der erste jemals beobachtete „Hot Jupiter“, also ein Gasriese wie Jupiter, welcher aber sehr eng um seinen Zentralstern kreist.

Weitere Beiträge zum Physik-Nobelpreis 2019:

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