Die dritte Dimension
Methoden zur Erschließung des kosmischen Raums
Himmelskarten bilden das Universum auf einer zweidimensionalen Ebene ab. Die Erschließung der dritten Dimension ist aufwändig. Den Astrophysikern stehen dafür zwei wichtige Methoden zur Verfügung: Die Astrometrie misst die entfernungsrelevante Verschiebung von Sternen am Himmel durch die Eigenbewegung der Erde sowie die Rotverschiebung von Spektren auch weit entfernter Himmelsobjekte außerhalb unserer Milchstraße. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit sehen wir die Himmelsobjekte allerdings nie im Jetzt, sondern in der Vergangenheit – und zwar je weiter sie von uns entfernt sind, desto weiter zurück. Mit Hilfe von Simulationen errechnen Kosmologen das kosmische Web, das ein Abbild der Entwicklung großräumiger Strukturen in der Gleichzeitigkeit zeigt.
Sprechertext der Sendung:
Seit der Mensch den Himmel erforscht, hat er das Licht gesehen. Zuerst nur im optischen Spektralbereich, dann haben wir mit Teleskopen und Sonden auch die anderen Wellenbereiche erfasst: Radio, Infrarot und Röntgen und Gamma.
Aber auch mit neuesten Teleskopen können wir das Licht des Universums nur in einem zweidimensionalen Atlas kartieren. Wollen wir wissen, wie weit die einzelnen gemessenen Lichtpunkte tatsächlich von uns entfernt sind, dann tun das Astrophysiker heute mit zwei wichtigen Methoden: Mit Hilfe der „Astrometrie“ werden die Eigenbewegungen von Sternen am Himmel gemessen. Denn alle Himmelskörper bewegen sich im Universum, verändern also ihre Positionen zueinander. Je näher uns Sterne sind, desto größer ist die relative Verschiebung ihres Himmels-Standortes über die Zeit.
Mit dieser astrometrischen Methode vermisst die Sonde Gaia derzeit die Sterne unserer Milchstraße – sie sieht so genau, dass sie eine Münze auf dem Mond erkennen könnte.
Übersetzung O-Ton Timo Prosti, ESA-Projektwissenschaftler Sonde Gaia
Unsere erste Veröffentlichung enthält die Position von einer Milliarde Sterne. Sie zeigt uns, wie der Nachthimmel in jeder beliebigen Richtung aussieht – auch mit sehr, sehr schwach leuchtenden Objekten. Davon werden wir zwei Millionen Sterne zusätzlich mit ihrer genauen Entfernung und ihre Eigenbewegung am Himmel vermessen. Das ist die Grundlage für weitere astronomische Forschungen. Man kann damit Details der Lichtquellen und ihr Verhalten genau studieren.
Unsere erste Veröffentlichung enthält die Position von einer Milliarde Sterne. Sie zeigt uns, wie der Nachthimmel in jeder beliebigen Richtung aussieht – auch mit sehr, sehr schwach leuchtenden Objekten. Davon werden wir 2 Millionen Sterne zusätzlich mit ihrer genauen Entfernung und ihre Eigenbewegung am Himmel vermessen. Das ist die Grundlage für weitere astronomische Forschungen. Man kann damit Details der Lichtquellen und ihr Verhalten genau studieren.
Dennoch reicht diese Methode nicht, um die Entfernung von Objekten außerhalb unserer eigenen Galaxis gut zu vermessen – Milliarden von Lichtjahren hinaus in das Universum. Dafür muss das Licht spektral erfasst werden. Der spektrale Fingerabdruck eines Himmelsobjektes durch Frequenzfilter hindurch hilft uns zuerst einmal, etwas über seine chemische Beschaffenheit zu erfahren. Denn jedes Element zeigt typische Absorptionslinien, die wir gut kennen und damit Sternen oder auch Galaxien zuordnen können. Andererseits ist in solchen Spektren auch „verschlüsselt“, wie lange dieses Licht schon durch den Weltraum gereist ist, also die Entfernung des Himmelsobjektes. Es gilt: Je weiter dieses von uns entfernt sind, desto mehr sind die Absorptionslinien im Spektrum verschoben – Grund dafür: Die Expansion des Universums, die dem Licht bei seiner Reise durch den sich ausbreitenden Raum Energie entzieht.
Noch haben wir längst nicht alle bekannten Himmelsobjekte im dreidimensionalen Raum spektral vermessen. Aber die Astrophysiker geben uns schon eine Vorstellung darüber, wie sich die Himmelsobjekte bis zu einer Entfernung von etwa sieben Milliarden Lichtjahren verteilen. Mit dem Licht aus fernen Regionen des Weltraums blicken wir gleichzeitig in dessen Vergangenheit. Wir sehen die Objekte also nicht so, wie sie heute sind, sondern mit zeitlichem Verzug, der größer wird, je weiter wir uns von unserem Standpunkt entfernen.
Wollen wir eine Momentaufnahme großräumiger Strukturen erkennen, dann benötigen wir Simulationen, die anhand der heute gültigen theoretischen Überlegungen dieses Licht aus der Vergangenheit auf das Heute hochrechnen. Erst in solchen Simulationen können wir das kosmische Web im Heute sehen. Ob es tatsächlich so aussieht, ist dabei nicht sicher. Denn noch wissen wir nicht, ob unsere theoretischen Vorstellungen von Gravitation und Expansion im galaktischen Maßstab gänzlich richtig sind. Während wir jedoch die Theorien verfeinern können, wird uns ein reales Abbild großräumiger Strukturen im Jetzt niemals zugänglich sein. Dennoch beginnen die Forscher auf der heutigen theoretischen Grundlage Simulationen der großräumigen Strukturen des Universums zu entwickeln. „Magneticum“ heißt eine dieser Gruppen, die sie spektakulär in Szene setzt.
© Vorschaufoto: Europäische Südsternwarte ESO
Erstsendung: März 2017
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