Vorwort

Es gibt ein berühmtes Bild von Paul Gauguin mit einer Inschrift in der oberen linken Ecke. Der französische Maler fragt den Betrachter: "D'où Venons Nous? Que Sommes Nous? Où Allons Nous?" Ja, das möchten wir alle wissen: Woher wir kommen, wer wir sind und wohin wir fortschreiten. Auf das Universum übertragen bedeutet dies, dass wir uns mit Kosmologie beschäftigen müssen. Der griechischen Wurzel nach ist die Kosmologie die "Lehre von der Welt", d.h. das Studium von ihrem Ursprung und eventuellem Exitus.

Das 21. Jahrhundert entpuppt sich bereits als die goldene Ära der Kosmologie. Wir verfügen derzeit über zahlreiche Teleskope für die Beobachtung des Himmels in allen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. An einem einzigen Tag werden heute so viele astronomische Daten registriert wie in einem ganzen Jahr im 19. Jahrhundert. Wir können die Sterne mit land- oder weltraumbasierten Teleskopen erforschen. Außerdem gibt es seit einigen Jahren die ersten Observatorien für die Messung von Gravitationswellen und das Detektieren von Neutrinos, womit ganz andere Arten von astronomischen Phänomenen abgedeckt werden können.

Vom Standpunkt der empirischen Astronomie betrachtet, sind die Bedingungen so günstig wie noch nie. Aus Sicht der Astrophysik ist die Lage etwas verwickelter. Konnte Stephen Hawking noch in den neunziger Jahren das "Ende der Physik" ankündigen, weil wir angeblich mit dem Standardmodell und der Gravitationstheorie über die endgültige Erklärung der Bausteine der Natur verfügen würden, wagt heute kein Physiker mehr, derart kühne Behauptungen zu äußern. Es stellt sich heraus, dass das, was wir bis heute am Himmel beobachtet haben, etwas weniger als 5% der gesamten Energie des Universums darstellt. Der Rest geht auf das Konto der "Dunklen Materie" und der "Dunklen Energie", für die bis heute keine wirklich überzeugende Erklärung vorliegt. Welche Ironie! Jahrhunderte der astronomischen Beobachtung haben nur dazu geführt, dass uns 95% des Universums abhandengekommen sind!

Bis zur Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein und bis zur Entwicklung der Quantenmechanik war die Kosmologie eher eine Beschäftigung für Philosophen und Weltenträumer. Wie könnte man jemals ernsthaft wagen, die Jahrmillionen-Geschichte des Universums zu erforschen? Der erste Impuls von Physikern wie Newton und sogar Einstein war, das Universum als etwas Ewiges zu konzipieren, das sicherlich Wandlungen unterliegt, das aber in seiner Grundstruktur für immer stabil bleibt. Außerhalb der Weltreligionen wollte niemand ein Universum haben, das an einem Tag Null geboren wurde. Deswegen verwarf Einstein die ersten Lösungen seiner eigenen Theorie, die auf ein expandierendes Universum hindeuteten. Einstein nahm an, dass solche Lösungen, wie auch Singularitäten (heute nennen wir sie "Schwarze Löcher"), nur mathematische Kunsterzeugnisse wären, die man durch geeignete algebraische Handgriffe auflösen könnte. So wollte Einstein durch die Einführung einer "kosmologischen Konstante" in seinen Gleichungen das expandierende Universum umgehen. Ironischerweise dient die kosmologische Konstante heute eher als Erklärung dafür, warum das Universum nicht nur expandiert, sondern dies sogar immer schneller geschieht.

Die in diesem Band gesammelten Telepolis-Artikel beleuchten die wichtigsten Aspekte der modernen Kosmologie in einer, wie ich hoffe, für das allgemeine Publikum verständliche Art und Weise. Anhand nur weniger Formeln wird das Wesentliche der modernen kosmologischen Forschung dargestellt.

Das standardisierte kosmologische Modell kann man eigentlich in wenigen Worten zusammenfassen: Der Urknall startet mit einer sehr kleinen, aber sehr energetischen Raumregion, die sich in den ersten Bruchteilen von Sekunden exponentiell ausdehnt, in etwa bis zur Größe eines Fußballs. Eine zweite Phase der Expansion und Kühlung setzt ein, die bis heute andauert. Diese Ausweitung hat zu diversen Phasenübergängen geführt, die allesamt kosmologische Epochen definieren, z.B. die Baryonen-Ära, als die ersten Protonen und Neutronen aus Quarks gebildet wurden. Eine weitere expansive Abkühlung hat zur Rekombinationsepoche geführt, d.h. zur Bildung der ersten Atome. Die Gravitation hat dann im Laufe von Milliarden von Jahren die übliche Materie entlang von Filamenten aus Dunkler Materie konzentriert. Es haben sich Sterne und Galaxien gebildet. Anscheinend bremst die Gravitation die Expansion des Universums nicht. Im Gegenteil, die Dunkle Energie des Vakuums presst das Universum noch schneller auseinander, womit der Kosmos unweigerlich in den Kältetod stürzt.

Die Theoretische Physik wird mit der Lösung all dieser Rätsel auch eine eigene neue goldene Ära eröffnen. Die Tatsache, dass Neutrinos eine Masse haben, deutet bereits an, dass das Standard-Modell der Elementarteilchen unvollständig ist. Wir werden irgendwann wissen, woraus Dunkle Materie gebildet wird. Das Wesen der Dunklen Energie, bzw. eine neue allgemeine Gravitationstheorie, wird sich aus der Erforschung der kosmischen Expansion ergeben.

Wir sollten uns deswegen auf all diese Rätsel freuen: Wir erleben eine revolutionäre Zeit. Die Physik ist keineswegs abgeschlossen und wir werden nach und nach besser verstehen können, woraus die Welt besteht und welcher Geschichte sie unterworfen ist. Vor allem möchten wir gerne wissen, was die Zukunft bringt. Ist unser Universum dem Tode geweiht oder wird es sich wie Houdini aus den physikalischen Fesseln befreien und in eine neue Schöpfungsära übergehen können?

Seit jeher beschäftigt uns die Kosmologie - schlicht und einfach, weil wir Vernunftwesen sind.

Impressum

Raúl Rojas
Kosmologie
Vergangenheit und Zukunft des Universums

Herausgeber der Reihe: Florian Rötzer

Umschlaggestaltung & Herstellung: Michael Schuberthan
Titelbild: Messier 16 (The Eagle Nebula) / NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

ISBN 978-3-95788-173-1 (V1)

Copyright © 2018 Heise Medien GmbH & Co. KG, Hannover

Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten.
Die Verwendung der Texte und Abbildungen, auch auszugsweise, ist ohne die schriftliche Zustimmung des Verlags urheberrechtswidrig und daher strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigung, Übersetzung oder die Verwendung in elektronischen Systemen.
Alle Informationen in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Herausgeber, Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen.


Heise Medien GmbH & Co. KG
Karl-Wiechert-Allee 10
30625 Hannover

Inhaltsverzeichnis

Titel

Vorwort

Das kosmologische Prinzip und die Mittelmäßigkeit der Erde

Jahrhunderte dauerte es, bis die Menschheit sich mit dem Gedanken anfreunden konnte, nichts wirklich Spezielles im Universum zu sein

Teleskope für alle Wellenlängen

Vor vierhundert Jahren hat Galileo zum ersten Mal mit einem Teleskop astronomische Beobachtungen durchgeführt. Im 21. Jahrhundert ist nun die Multifrequenzastronomie angesagt, bei der Beobachtungen in allen Wellenlängen integriert werden können

Newtons instabiles Universum

Von Newton zum Big Bang und der Ausdehnung des Raums

Die Friedmann-Gleichung und das dynamische Universum

Heute findet man die Friedman-Gleichung in jedem Kosmologie-Lehrbuch. Sie ist der Ausgangspunkt für die Begründung eines dynamischen Universums. Wir zeigen hier, wie die Gleichung mit einem Minimum an Formeln verstanden werden kann.

Das Alter des Universums

Über Jahrhunderte hinweg war die Bestimmung des Alters des Universums kein Thema für die Wissenschaft, sondern eher Gegenstand metaphysischer Spekulationen. Erst mit der Entwicklung der modernen Kosmologie konnten fundierte Antworten geliefert werden

Alchemie im frühen Universum

Die Alchemisten des Mittelalters wollten vergeblich mit chemischen Verfahren unedles Metall in Gold umwandeln. Im frühen Universum gelang das Kunststück der Transmutation, allerdings von Energie in den leichten Elementen, die heute das Universum ausfüllen

Eine Kulisse aus Neutrinos im Weltall

Neutrinos als unsichtbare Botschafter des Anfangs der Welt sind eines der am wenigsten erforschten Elementarteilchen

Das Tagebuch des Universums

Die Geschichte unseres Universums kann von der Strahlung abgelesen werden, die ständig von unseren Teleskopen aufgenommen wird. Es ist wie ein laufender Film des Universums Gedächtnis

Das Universum ist flach

In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen intensiv geprüft, ob wir in einem Universum leben, in dem sich die Lichtstrahlen geradeaus bzw. entlang einer Kurve fortsetzen. Auskunft darüber beantwortet die Frage nach der Geometrie des Universums - im großen Maßstab

Die Erkundung der dunklen Seite

Hundert Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

Einsteins kosmologische Konstante

Seit Einsteins Vorschlag streiten sich die Theoretiker über ihre wahre Bedeutung

Die Kosmische Inflation und die Suche nach Raum-Zeit-Fossilien

Kosmische Inflation nennt man die Ära, in der das Universum seinen Durchmesser in Bruchteilen einer Sekunde circa hundertmal nacheinander verdoppelte. In den letzten Jahren ist über Alternativen diskutiert worden

Das Ereignishorizont-Projekt

Astronomen versuchen, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie mit einem kombinierten Teleskop, das so groß wie die Erde ist, sichtbar zu machen

Schwarze Löcher: Die Singularität des vorigen Tages

Schwarze Löcher sind Singularitäten der allgemeinen Relativitätstheorie. Sie sind durch einen Ereignishorizont von der Außenwelt abgeschirmt. Gut so, weil dahinter die Zeit womöglich sowohl in Richtung Zukunft aber auch in Richtung Vergangenheit ticken könnte

Zu Besuch beim LIGO: Observatorien für Gravitationswellen

Mit der Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 ist eine neue Art der Astronomie entstanden, die es uns vielleicht erlauben wird, hinter den Schleier der kosmischen Hintergrundstrahlung zu blicken, um den Augenblick der Entstehung des Universums zu beobachten

Weltraumteleskope und Leben auf anderen Planeten

Heute werden Teleskope im Weltraum angebracht, um weit zurück in die Geschichte des Universums blicken zu können oder um möglicherweise Leben auf Exoplaneten ausfindig zu machen

Impressum

      

Weitere Telepolis-eBooks

cover Harald Zaun

First Contact

Spurensuche nach kosmischer Intelligenz und die Gefahren

mehr


cover Raúl Rojas

Die Tiefe des Raumes

Ökonomie und Wissenschaft des Fußballspiels. Zweite, erweiterte Auflage

mehr


cover Matthias Becker/Raúl Rojas

MOOCs verändern die Universitäten

Der Unterricht im Zeitalter seiner technischen Reproduzierbarkeit

mehr


cover Raúl Rojas

Können Roboter lügen?

Essays zur Robotik und Künstlichen Intelligenz

mehr


cover Tomasz Konicz

Faschismus im 21. Jahrhundert

Skizzen der drohenden Barbarei

mehr


cover Michael E. Mann und Tom Toles

Der Tollhauseffekt

Wie die Leugnung des Klimawandels unseren Planeten bedroht, unsere Politik zerstört und uns in den Wahnsinn treibt

mehr


Das kosmologische Prinzip und die Mittelmäßigkeit der Erde

Jahrhunderte dauerte es, bis die Menschheit sich mit dem Gedanken anfreunden konnte, nichts wirklich Spezielles im Universum zu sein

Heute akzeptieren wir, ohne mit der Wimper zu zucken, dass die Erde irgendwo im Universum schwebt, jedoch nicht in dessen Zentrum. Die kopernikanische Wende hat bereits im 16. Jahrhundert den Weg geebnet: Die Sonne ist statt der Erde in die Mitte des Sonnensystems gerückt worden. Seitdem wurde unsere "privilegierte" Stellung im Universum immer weiter entwertet.

Die erste Kosmologie, die viele von uns gelernt haben, stammt aus der judäo-christlichen Tradition. In Genesis steht, gleich nachdem Gott Himmel und Erde schuf:

»1,6 Und Gott sprach: Es werde eine Wölbung mitten in den Wassern, und es sei eine Scheidung zwischen den Wassern und den Wassern!
1,7 Und Gott machte die Wölbung und schied die Wasser, die unterhalb der Wölbung von den Wassern, die oberhalb der Wölbung waren. Und es geschah so.
1,8 Und Gott nannte die Wölbung Himmel.«

Genesis

Das Fragment entspricht der alten jüdischen Vorstellung von einer flachen Erde, die im Wasser schwimmt. Über der Erde liegt eine Wölbung, die das Wasser oben vom Wasser unten (ein Sinnbild für umgebendes Chaos) trennt. Die uns zugewandte Seite der Wölbung ist der Himmel. In Genesis geschieht das alles durch das Wort Gottes, da etwas auszusprechen, performativ seine Schöpfung herbeibringt.

Nach Jehova, Adam und Eva kamen allerdings die Griechen und diese haben schließlich begriffen, dass die Erde eine Kugel sein muss. Eratosthenes von Kyrene hat bereits im dritten Jahrhundert vor Christus den Erdumfang geschätzt - für damalige Verhältnisse erstaunlich präzise. Im selben Jahrhundert hat Aristarchos von Samos sogar postuliert, dass sich nicht die Sonne um die Erde dreht, sondern umgekehrt. Das war der Beginn der "heliozentrischen" Hypothese, die Jahrhunderte lang gegen den Geozentrismus angetreten ist.

Sofern man nur Erde und Sonne betrachtet, ist es allerdings gleichgültig, wo man den Koordinatenursprung setzt. Relativ zur Erde bewegt sich die Sonne um die Erde, relativ zur Sonne kreist die Erde um sie. Mit einem geozentrischen Weltbild ist es aber schwieriger, die Bewegungen der restlichen Planeten zu erklären - die einfache kreisförmige Rotation um die Erde muss dann mit zusätzlichen kleineren Kreisen (sogenannten Epizykeln) ergänzt werden.

Bild
Abb. 1: Ein Selfie des Universums. Aufnahme vom "deep-field survey" des Weltraumteleskops Hubble. Bild: Nasa

Aristarchos hatte mit dem Heliozentrismus recht, aber er konnte das Modell von Aristoteles nicht umstürzen und dies aus einem guten Grund: Aristoteles hatte die Erde nicht nur in das Zentrum des Sonnensystems, sondern sogar des Universums gestellt, weil er sein geozentrisches Weltbild mit einem physikalischen Beiwerk ausstaffierte. Aristoteles verfügte über keine Gravitationstheorie im Sinne vom Newton, konnte aber eine Art von Ersatzhypothese anbieten.

Der Stagirit dachte, das Universum bestünde aus vier Elementen: Erde, Wasser, Luft und Feuer, sowie Mischungen derselben in unterschiedlichen Proportionen. Erde ist schwerer als Wasser, dieses ist schwerer als Luft und Feuer ist das leichteste Element. Wenn sich alle vier "selbst organisieren", dann sinkt das Element Erde zur Mitte des Universums nieder, während das Element Feuer (das Material der Gestirne) rundherum entweicht, also weg von der Mitte. Auf diese Weise braucht man keine komplizierte Fernwirkung zu postulieren, die Sterne und Planeten an die Erde bindet. Spontane Bewegungen auf der Erde und im Kosmos werden so durch lokale Interaktionen zwischen den Elementen und deren Bezug zur Mitte erklärt.

Obwohl das heliozentrische Weltbild später, im Laufe der Jahrhunderte, immer besser zu den astronomischen Beobachtungen passte, gab es lange Zeit keine physikalische Rechtfertigung dafür. Aristoteles hatte zumindest eine Pseudoerklärung für das geozentrische Weltbild, eine Kosmologie, die außerdem außerordentlich hilfreich für die Kirche war, auch wenn diese sich irgendwann von der platten Erde mit der Himmelwölbung verabschieden musste. Das Aristotelische Weltbild mit himmlischen Sphären, an denen die Gestirne sich um die Erde bewegen, passte sehr gut zu der kirchlichen Auffassung der besondere Rolle der Menschheit, die dazu berufen wäre, sich damals die Erde und heute das Universum zu Untertan zu machen.

Vom Galaktozentrismus

Aber dann kam Kopernikus. Im Jahr 1543 wurde sein "De revolutionibus orbium coelestium" in Nürnberg gedruckt. Am wachsamen Auge der Kirche vorbei haben Kopernikus und andere Astronomen den Heliozentrismus als "mathematische Theorie" eingeschmuggelt, d.h. als lediglich einen Wechsel des Koordinatensystems bzw. als rein gedankliche Operation gerechtfertigt, die die Bibel unwidersprochen ließe.

Als Kompromiss schlug der Astronom Tycho Brahe einen Mittelweg vor: Die Planeten kreisen um die Sonne, die Sonne jedoch um die Erde. Damit konnte sich die Erde weiterhin im Zentrum des Universums ausruhen. Mit solch philosophischer Camouflage konnte die kopernikanische Theorie Konflikte vermeiden, bis allerdings die Kirche den Braten roch und Galileo die Inquisition auf den Hals hetzte - "e pur si muove".

Die kopernikanische Wende konnte erst vervollständigt werden, als Astronomie und Physik wieder im Einklang gebracht werden konnten, d.h. eigentlich erst als Kepler seine Planetengesetze formulierte und Newton daraus seine Gravitationstheorie ableitete. Erst dann gab es ein theoretisches Gebäude, mit dem das aristotelische Weltsystem umfassend ersetzt werden konnte. Ein skurriles Intermezzo war allerdings Descartes Wirbeltheorie, die Planetenbahnen als Mitbewegung der Planeten in Materiewirbeln um die Sonne interpretierte. Kurioserweise war Newton, der revolutionäre, kein Atheist, im Gegenteil, er war sehr religiös und vergeudete unzählige Stunden mit der Bibel und mit der Erschließung derer Chronologie.

Wenn die Erde dann aber nicht mehr im Zentrum der Welt stünde, dann könnte zumindest unser Planetensystem dort sitzen! Das war die Meinung des Astronomen William Herschel, der hundert Jahre nach Newton den "Galaktozentrismus" startete, d.h. die Idee, dass das Sonnensystem in der Mitte unserer Galaxie steht. Vor ihm hatten Thomas Wright und kein geringerer als Immanuel Kant die Milchstraße als rotierende Scheibe aus Sternen begriffen und sogenannte "Nebulae" als entferntere Galaxien gedeutet. Herschel, der seine gewaltigen Teleskope selber baute, zählte die Anzahl der Sterne in alle Richtungen um die Erde und glaubte, wegen des Einklangs der Resultate, dass das Sonnensystem sich mittig in der Milchstraße befinden müsste.

Es verblüfft im Nachhinein, dass trotz der langen Geschichte der Astronomie die echte wissenschaftliche Fundierung der Existenz von Galaxien erst vor etwa hundert Jahren gelang. Im Rahmen der sogenannten "großen Debatte" stritten die US-Astronomen Howard Shapley und Heber Curtis über die Dimensionen des bekannten Universums. Shapley dachte, es gäbe nur die Milchstraße und dazu einige kleine Nebulae. Für Curtis dagegen waren diese Nebulae vermutlich so groß wie die Milchstraße oder noch größer. Heute wissen wir, dass Curtis recht hatte. Shapley hat außerdem die Lage des Sonnensystems neu ermittelt und festgestellt, dass wir uns keineswegs in der Mitte, sondern eher am Rande der Milchstraße befinden.

Den nächsten Schritt auf dem Weg zur interplanetaren Mittelmäßigkeit kann der Leser bereits erahnen: Da weder Erde, noch Sonnensystem im Zentrum des Universums stehen, könnte es immerhin ein Ausweg sein, wenn nun wenigstens die Milchstraße in der Mitte wäre.

Das kann aber nicht mehr behauptet werden, seitdem Erwin Hubble zeigte, dass unser Universum expandiert. Seitdem für einen solchen expandierenden Kosmos Lösungen der Einsteinschen Gravitationsgleichungen gefunden wurden, wissen wir, dass wir nicht das ganze Universum beobachten können. Die Hintergrundstrahlung ist eine Reliquie der Zeit um 380.000 Jahre nach dem Big Bang, als das Universum erst "durchsichtig" wurde, d.h. als das Licht an Atomen vorbei fliegen konnte. Sie ist von jedem Punkt im Universum zu beobachten, als ein Umhang für die Zeit kurz nach dem Big Bang und bis zur atomaren "Rekombination". Dahinter ist mit elektromagnetischen Wellen nichts zu sehen.

Da das Universum in alle Richtungen expandiert, beobachten wir von jedem Punkt desselben im Grunde Ähnliches und es gilt die gleiche Physik. Das ist das moderne kosmologische Prinzip, das Homogenität und Isotropie des Universums auf der Skala von Galaxien und Galaxiencluster einfordert. Das Universum ist deswegen für die moderne Kosmologie eine Art "Gas", das in erster Approximation mit der mittleren Dichte des Universums beschrieben werden kann. Diese ist erstaunlich niedrig, etwa ein Wasserstoffatom pro Kubikmeter!

Das "Mediokritätsprinzip" besagt nun in diesem Kontext, dass unsere Galaxie, unser Planetensystem und unsere Erde nichts Besonderes sind und dass ähnliche Evolutionsprozesse an unzähligen Orten im Universum stattfinden können. Andere intelligente Lebensformen könnten sogar in der Milchstraße relativ nah zu uns angesiedelt sein.

Weitere Mittelmäßigkeit hat die Erde vor allem mit der Entdeckung von immer mehr Planetensystemen errungen. Das Weltraumteleskop Kepler, 2009 gestartet, hatte bis 2017 um die 2500 Exoplaneten im Weltall entdeckt und bestätigt. Davon waren 30 nicht über Faktor zwei größer als die Erde und umkreisten ihre jeweiligen Sterne in der "bewohnbaren" Zone, d.h. unter Bedingungen, die zur Entstehung von Leben führen könnten.

Bild
NASA-Bild von einigen erdähnlichen Planeten und der Energie, die sie von ihren "Sonnen" erhalten. Das grüne Band entspricht den Bedingungen, die günstig für die Entstehung von Leben sind. Bild: Nasa

Einer, der sehr früh an die Unendlichkeit des Universums und an die Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten glaubte, war der italienische Philosoph und Astronom Giordano Bruno. Wegen dieser und weiterer Ketzereien wurde er 1600 auf dem Scheiterhaufen hingerichtet. Erst im Jahr 2000 verkündete die katholische Kirche, dass das Todesurteil Unrecht war. Acht Jahre zuvor war Galileo, Nachfolger von Bruno an der Universität Padua, rehabilitiert worden.

Wie wir sehen, dauerte es also Jahrhunderte bis die Menschheit sich mit dem Gedanken anfreunden konnte, nichts wirklich Spezielles im Universum zu sein. Wir sind eher eine kleine Quantenfluktuation in der Unendlichkeit des Kosmos als die Herrscher über die Welt.

»Und Gott sah, dass es gut war.«

Genesis

Teleskope für alle Wellenlängen

Vor vierhundert Jahren hat Galileo zum ersten Mal mit einem Teleskop astronomische Beobachtungen durchgeführt. Im 21. Jahrhundert ist nun die Multifrequenzastronomie angesagt, bei der Beobachtungen in allen Wellenlängen integriert werden können

Seit jeher hat der Nachthimmel die Menschen fasziniert. Die Bewegung des Mondes, der Sonne sowie die Abfolge der Jahreszeiten sind nur einige der Phänomene, die zuerst der systematischen Beobachtung unterzogen wurden. Kosmologisches Denken, d.h. das Grübeln über Anfang und mögliches Ende der Welt, ist wahrscheinlich eine der ersten kulturellen Betätigungen der Menschheit gewesen. Am Anfang der Zivilisation blieb nichts anderes übrig als die Astronomie bzw. Astrologie mit bloßem Auge zu praktizieren und es dauerte Jahrtausende bis das optische Teleskop erfunden wurde.

Auch in Mitteleuropa gab es solche Frühastronomen, wie die Himmelsscheibe von Nebra verrät. Sie ist zwischen 3700 bis 4100 Jahre alt und wurde erst 1999 in Sachsen-Anhalt von Raubgräbern entdeckt (Abb. 1). Darüber hinaus sind einige Kultstätten in Deutschland, die sehr wahrscheinlich auch für Himmelbeobachtungen verwendet wurden, seit einigen Jahren erforscht und wiederaufgebaut worden. Das "deutsche Stonehenge" steht in Pömmelte nahe Magdeburg. Die Anlage ist rund und aus verschiedenen Aussichtsstellen konnte vielleicht die jahreszeitenbedingte Laufbewegung des Sonnenaufgangs am Horizont beobachtet werden (Abb. 2).

Bild
Abb. 1: Die etwa 400 Jahre alte Himmelsscheibe von Nebra. Bild: Dbachmann / CC-BY-SA-3.0

Die Himmelscheibe von Nebra soll einer der ältesten Darstellungen des Nachthimmels, wenn nicht die älteste überhaupt sein. Der Mond und die Sonne sowie einige Sterne sind mit Goldtauschierungen eingearbeitet worden. Die Himmelsscheibe zeigt eine nachträglich eingebrachte Verzierung, die ein Schiff für den nächtlichen Rücktransport der Sonne von Westen nach Osten zeigt. Dies ist auch eine der ersten Hypothesen, wenn man so will, über die "Mechanik" der täglichen Auferstehung der Sonne.

Bild
Abb. 2: Das Ringheiligtum in Pömmelte, Sachsen-Anhalt, das "deutsche Stonehenge". Bild: Torsten Maue / CC-BY-SA-2.0

Tausende von Kilometern entfernt, auf einem anderen Kontinent, haben sich die Mayas ebenfalls mit Astronomie beschäftigt. Das Observatorium "El Caracol" in Chichen Itza (Abb. 3) sieht einem modernen Observatorium nicht unähnlich. Diverse Öffnungen im Turm und in der Kuppel erlaubten es den Maya-Astronomen, den genauen Zeitpunkt von Himmelsereignissen zu ermitteln. Die Maya-Pyramiden selbst wurden so orientiert, dass am Anfang des Frühlings oder Herbstes diverse Schattenspiele an den Mauern die neue Jahreszeit ankündigten.

Mit ihren astronomischen Beobachtungen und mit ihrer positionellen Arithmetik konnten die Mayas einen erstaunlichen Kalender entwickeln, der sich tausende Jahre in die Zukunft und in die Vergangenheit erstreckte. Den Anfang der Zeit haben die Mayas auf über 3000 Jahre vor unserer Zeit festgelegt.

Bild
Abb. 3: Das Observatorium "El Caracol" in Chichen Itza, Mexiko. Bild: Gautier Poupeau / CC-BY-2.0

Diese Beispiele zeigen, und wir könnten dafür praktisch jede Großkultur als Beispiel heranziehen, dass Menschen von Natur aus die Sterne beobachten. Der Blick zum Himmel fällt uns leicht. Und dann fängt die Kopfarbeit an.

Galileo, Newton und Herschel

Galileo hat das Teleskop nicht erfunden, aber verbessert und seit 1609 für astronomische Beobachtungen eingesetzt. Die großen Astronomen der Antike und sogar die Astronomen der Frührenaissance, verfügten bereits über diverse Instrumente wie das Astrolabium, hatten aber keine Möglichkeit, Licht aufzusammeln und gebündelt ins Auge zu fokussieren, wie ein Teleskop dies tut. Galileo hat in seinem Teleskop zwei Linsen eingebaut und konnte damit Täler und Berge im Mond sowie die Monde des Jupiters beobachten.

Mit den Beobachtungen von Galileo betreten wir eine neue Ära der Astronomie, die viel weiter und viel mehr am Himmel sehen kann. Das Fernrohr von Galileo war aber ein Refraktor, d.h. es basiert auf einer Aufeinanderfolge von Linsen. Um zu verhindern, dass die unterschiedlichen Wellenlängen nach der Refraktion auseinanderfliegen, müssen die Linsen so flach wie möglich sein. Damit wird die sogenannte chromatische Aberration verhindert, aber die Teleskope werden immer länger, je nachdem, wie viele Linsen eingebaut werden und welche Parameter diese aufweisen.

Bild
Abb. 4: Das Riesenteleskop von Johannes Hevelius in Danzig. Bild: Public Domain

Frühe Teleskope mussten mit vielen technischen Problemen kämpfen, darunter die Qualität des verwendeten Glases, das am Anfang etwas trübe war. Die Oberfläche der Linsen musste auch richtig bearbeitet werden. Der Astronom Johannes Hevelius hat aber 1641 in Danzig mit seinem Riesenteleskop wahrscheinlich alle Längenrekorde seiner Zeit gebrochen. Abb. 4 ist ein Stich von 1908, sodass wir nicht sicher sein können, dass das Teleskop wirklich so aussah, es hatte aber angeblich eine Länge von 46 Metern und das erst 32 Jahre nach den ersten Versuchen von Galileo.