2002_3   Spektroskopie und Rotverschiebung

Spektroskopie

Das Spektrum wird mehrfach aufgeteilt. Es reicht von den untersten Schwingungen (Schallwellen) bis zu den höchsten meßbaren Frequenzen (Gammabereich). Dazwischen liegen die Funkbereiche (Fernsehen, Handys usw.) und auch der Bereich, in dem menschliche Haut am stärksten leuchtet - der Infrarotbereich. Der Grund ist, daß der Mensch Energie als Wärme abstrahlt (schon deshalb, damit sich sein Körper nicht übermäßig aufheizt).

Wenn Atome energetisch angeregt werden (z.B. in der Sonne), emittieren sie Strahlung die als Spektrallinien beobachtbar sind. Die Linien der Atome haben jeweils eine exakte Wellenlänge, d.h. sie stehen an charakteristisch eindeutigen Positionen im Spektrum. So ist es möglich, genau zu bestimmen welche Atome und Elemente z.B. in der Sonne vorkommen. Es müssen nur die Wellenlängen mit den im Labor erzeugten Wellenlängen verglichen werden. Das funktioniert an unserem Fixstern gut. Bei weiter entfernten Objekten kann am Beispiel des sichtbaren Lichtes festgestellt werden: wenn sich energetisch angeregte Atome vom Beobachter weg bewegen, verschieben sich die Spektrallinien in den langwelligen (roten) Bereich. Grund: das Zeitintervall (Abstand von zwei aufeinander folgenden Intensitätsmaxima) muß eine längere Wegstrecke zurücklegen. Umgekehrt verschieben sich die Spektrallinien in den kurzwelligen (blauen) Bereich, wenn sich die angeregten Atome auf den Beobachter zu bewegen, denn dann wird die Wegstrecke verkürzt.

Experimentelle Bestätigung: Es wurden Doppelsterne in der Milchstraße untersucht, die sich auf einer Bahn umkreisen, die in unserer Sichtebene liegt. Dabei wurde festgestellt, daß sich die Linienverschiebung abwechselte, sie schwankte zwischen einer Verschiebung zum langwelligen und kurzwelligen Bereich hin und her. Der Grund liegt in der Bewegung der Doppelsterne umeinander, d.h. einer der untersuchten Partner des Doppelsternsystems bewegt sich einen gewissen Zeitraum auf die Erde zu und dann von der Erde weg. Es konnte weiterhin der scheinbare Stillstand (beide Sonnen in einer Linie) und auch das Verschwinden einer Sonne verdeckt durch die zweite) exakt gemessen werden.

Bei vergleichbaren Objekten, die sich in einer - durch z.B. die Parallaxe ermittelten - größeren Entfernung befinden, zeigte sich eine vergleichbare Änderung, die charakteristischen Wellenlängen waren komplett weiter in den langwelligen Bereich verschoben.

Auf diese Art wurde eine - inzwischen durch unzählige Vergleichsmessungen bestätigte - Beziehung deutlich: das Spektrum von sich entfernenden Objekten ist im Vergleich zu sich in konstanter Entfernung befindenden Objekten in den roten, langwelligen Bereich verschoben. Die Beziehung sagt: weit entfernte Sternsysteme bewegen sich von uns weg. Sie wurde nach dem Astronomen, der sie zuerst entdeckte, benannt: Hubble-Beziehung. Im Nahbereich, z.B. in der Lokalen Gruppe, gibt es Unterschiede (z.B. die blauverschobene M 31), aufgrund der Gravitation. Bei der Untersuchung von weit entfernten Galaxien gibt es nur die allgegenwärtige Linienverschiebung in den langwelligen Bereich, die allgemeine Rotverschiebung.

Rotverschiebung

Christian Doppler entdeckte 1842 den nach ihm benannten akustischen Effekt und formulierte in seiner Arbeit “Über das farbige Licht der Doppelsterne” die Theorie, wonach dieses Prinzip auch auf die Optik zutrifft. Das ist heute allgemein unter dem Begriff “Rotverschiebung” bekannt.

Eine Rotverschiebung ist verbunden mit einer Abnahme der Energie von Photonen. Denn: größere Wellenlängen (niedrigere Frequenzen) bedeuten geringere Energien und umgekehrt.

Es gibt eine relativistische Rotverschiebung, die besagt, daß jeder Energie eine Masse äquivalent ist. Also muß eine das Objekt verlassene Strahlung sozusagen gegen die Anziehungskraft des Objektes Arbeit leisten, d.h. die Strahlungsenergie nimmt ab.

Und es gibt eine kosmologische Rotverschiebung, die nicht ganz mit dem Doppler-Effekt vergleichbar ist. Sie ist zwar auch von der Bewegung abhängig, aber im Universum bewegen sich Galaxien und Galaxienhaufen nicht in einen Raum hinein und sie bewegen sich nicht als Objekte innerhalb eines konstanten Raumes. Sondern: Kosmische Objekte bewegen sich mit dem Raum als eine Folge der allgemeinen Expansion. Und folgerichtig ist die Interpretation für die Rotverschiebung: Dehnung der Lichtwellen durch den sich ausbreitenden Kosmos.

Im Detail heißt das: Das Licht einer Galaxie eilt durch den Raum. Der Raum expandiert, d.h. der Raum zwischen der Galaxie und uns wird während der Lichtlaufzeit größer. Der Raum wird “gestreckt” und damit wird das Licht, während es unterwegs ist, in den Raumbereichen zwischen der Galaxie und uns “gedehnt”.

Bei der Betrachtung von zwei verschieden weit von uns entfernten Sternsystemen stellten Astronomen fest, daß die Größe der Dehnung (die sich bei der Spektroskopie in einer Linienverschiebung des gesamten Spektrums dieser fernen Sternsysteme darstellt) bei der weiter entfernten Galaxie größer ist.

Die Erklärung ist einfach: Das Licht der weiter entfernten Galaxie mußte einen größeren expandierenden Raumbereich durcheilen. Anders ausgedrückt: Das Licht der ferneren Galaxie war längere Zeit im expandierenden Raum unterwegs, und da der Raum mehr gedehnt wurde, geschah das auch mit den Lichtwellen. Bei der Messung wird eine größere Verschiebung der Linien in den langwelligeren Bereich gemessen.

Eine größere Rotverschiebung ist ein Kennzeichen für eine weiter entfernte Galaxie. Da alle Materie mit dem Urknall entstand, muß diese Galaxie wesentlich schneller sein. Sie treibt mit der Expansion des Raumes schneller von uns weg als nähere Sternsysteme. Die Gleichung lautet: eine große Rotverschiebung = schnelle Fluchtbewegung in Sichtlinie = weite Entfernung.

In diesem Zusammenhang wird der Hubble-Parameter H₀ interessant. Das ist ein Proportionalitätsfaktor von v/r (dabei ist r = Entfernung in Mpc und v = Geschwindigkeit in km/s), die Werte streuen zwischen 50 bis 100. Auf Grund des Hubble-Parameters kann das Weltalter ausgerechnet werden. Das ist jedoch nicht exakt möglich, das es keine konstante Expansion gab und gibt. Als zusätzliche Schwierigkeit gibt es natürlich lokale Schwankungen durch die Gravitation.