Astronomische Spektroskopie

Astronomische Spektroskopie

Wie das bescheidene Prisma half, die Geheimnisse dessen zu lüften, woraus das Universum besteht und wohin es sich entwickelt.

Viele der Atome, aus denen unsere Körper bestehen, befanden sich einst vor Tausenden von Millionen Jahren tief im Inneren eines von vielen Sternen, die sich längst entweder selbst in Stücke gesprengt haben oder vielleicht leise in Vergessenheit geraten sind und einen Teil der sich dabei.

Aber wie haben Astronomen und Physiker diese faszinierende Geschichte nur durch den Blick in den Himmel und die Arbeit im Labor entdeckt?



Was ist ein Spektrum?

Wie kommt es, dass wir so viel über die chemische Zusammensetzung, Temperaturen, Drücke und Bewegungen entfernter Sterne und Galaxien wissen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns zunächst fragen, woher wir wissen, dass diese Körper überhaupt existieren.

Nun, ganz einfach wissen wir, dass sie existieren, weil wir sie sehen können; das heißt, sie emittieren Energie in Form von Lichtwellen und auch Infrarot-, Ultraviolett- und oft auch Radiowellen und Röntgenstrahlen. Diese Energie reist über diese weiten Entfernungen und liefert uns eine äußerst reichhaltige Informationsquelle.

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Ein Spektrum ist das Ergebnis der Aufteilung dieses Lichts in seine Bestandteile, und durch das Studium von Spektren konnten Astrophysiker ihre wichtigsten Entdeckungen machen.

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Wie entsteht ein Spektrum?

Das bekannteste Spektrum in der Natur ist das herrliche Schauspiel, der Regenbogen, der entsteht, wenn das Licht der Sonne in jedem der Millionen Regentropfen herumspringt und dabei in seine einzelnen Farben zerlegt wird. Wenn ein Chemiker, Physiker oder Astronom eine Lichtquelle untersuchen möchte, kann er ein dreieckiges Glasprisma oder heutzutage häufiger ein als Beugungsgitter bezeichnetes Gerät verwenden, um das Licht in ein Spektrum zu zerlegen.

Was sagt uns ein Spektrum?

Isaac Newton war der erste, der erkannte, dass die Farben, die erzeugt werden, wenn weißes Licht durch ein Prisma geleitet wird, eine Eigenschaft des Lichts selbst sind und nicht etwas, das vom Glas eingebracht wird. Zu diesem Schluss kam er um 1666. Diese Erkenntnis sollte weitreichende Folgen für die gesamte Physik und insbesondere für unser Verständnis des Universums haben.

Die wohl bekannteste der charakteristischen Strahlungen eines gemeinsamen Elements ist das gelb-orange Licht, das von Natriumdampf emittiert wird. Fast das gesamte Licht einer Natriumdampf-Straßenlaterne tritt in zwei sehr engen Linien im gelb-orangefarbenen Teil des Spektrums aus.

Woraus sind Sterne gemacht

Wenn wir ein astronomisches Spektrum betrachten und die für ein bestimmtes Element charakteristischen Linien sehen, können wir sofort sagen, ob dieses Element entweder im Stern oder in der Galaxie selbst oder sogar im Raum zwischen einem Stern und unserem Teleskop vorhanden ist. Dies ist an sich schon wichtig und aufregend genug, aber die Techniken der Spektroskopie sind so mächtig, dass wir viel mehr tun können, als nur das Vorhandensein eines chemischen Elements oder Moleküls nachzuweisen.

Wir können noch weiter gehen und sagen, wie viel von jedem Element in jedem Stern und sogar im Universum selbst enthalten ist. Wir wissen, dass Wasserstoff das bei weitem am häufigsten vorkommende Element im Universum ist und dass Wasserstoff als Rohstoff für die Herstellung aller schwereren Elemente verwendet werden kann. Dieser Prozess, der Traum der Alchemisten, läuft im tiefen Inneren fast aller Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, ganz ruhig ab.

Intergalaktische Blitzer

Auch zur Untersuchung der Bewegungen astronomischer Objekte leistet der Spektrograph einen wichtigen Beitrag. Doppler entdeckte, dass sich die Farben oder Wellenlängen ihrer Spektrallinien proportional zur Geschwindigkeit ändern, wenn sich eine Lichtquelle auf uns zu oder von uns weg bewegt. Damit können wir die Geschwindigkeiten von Galaxien und Quasaren messen, die so weit entfernt sind, dass jede Eigenbewegung unermesslich klein wäre.

Der Urknall

Messungen der Geschwindigkeiten anderer Galaxien haben uns gezeigt, dass sich das gesamte Universum ausdehnt, wobei sich die am weitesten entfernten Objekte, die wir beobachten können, mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen. Durch die Kombination dieses Ergebnisses mit Beobachtungen der Dichte von Galaxien im Weltraum in verschiedenen Altersstufen des Universums können wir sehen, dass alles in einem sehr kleinen Volumen begann und sich nach dem sogenannten Urknall ausbreitete. Die Spektroskopie im Mikrowellenbereich des Spektrums hat uns die rotverschobene Strahlung gezeigt, die zum Zeitpunkt des Urknalls emittiert wurde.

Wir haben hier nur einige der Anwendungen des astronomischen Spektrographen illustriert, aber sie zeigen, wie die Spektroskopie zu einem der mächtigsten Werkzeuge der modernen astronomischen Forschung geworden ist.

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