Eine kurze Geschichte der Zeit (German Edition)

hielten!

    Sterne sind so weit entfernt, daß sie uns nur noch als Lichtpunkte erscheinen. Wir können weder ihre Größe noch ihre Form erkennen. Wie sollen wir da zwischen verschiedenen Sternarten unterscheiden? Die allermeisten Sterne haben nur eine charakteristische Eigenschaft, die wir beobachten können – die Farbe ihres Lichts. Newton hat entdeckt, daß sich das Sonnenlicht durch ein Glasstück mit zwei oder mehr zueinander geneigten Flächen – ein Prisma – in die Farben des Regenbogens (sein Spektrum) zerlegen läßt, aus denen es sich zusammensetzt. Wenn man ein Teleskop auf einen einzelnen Stern oder eine Galaxie justiert, kann man in ähnlicher Weise das Lichtspektrum dieses Sterns oder dieser Galaxie feststellen. Die Spektren von Sternen unterscheiden sich voneinander, aber die relative Helligkeit der verschiedenen Farben entspricht immer genau derjenigen, die man im Licht eines glühenden Objekts erwarten würde. (Das Licht eines glühenden, undurchsichtigen Objekts hat ein charakteristisches Spektrum, das nur von seiner Temperatur abhängt – ein thermisches Spektrum. Das heißt, wir können aus dem Lichtspektrum eines Sterns auf seine Temperatur schließen.) Ferner ist zu beobachten, daß einige sehr spezifische Farben in den Spektren von Sternen fehlen und daß diese fehlenden Farben von Stern zu Stern variieren können. Da wir wissen, daß jedes chemische Element ganz bestimmte Farben absorbiert, können wir durch Vergleich dieser Farben mit denen, die im Spektrum eines Sterns fehlen, genau bestimmen, welche Elemente in seiner Atmosphäre vorhanden sind.
    Als die Astronomen in den zwanziger Jahren anfingen, die Spektren von Sternen in anderen Galaxien zu untersuchen, machten sie eine höchst seltsame Entdeckung: Es zeigten sich dieselben typischen fehlenden Farben wie bei den Sternen in unserer eigenen Galaxis, aber sie waren alle um den gleichen relativen Betrag zum roten Ende des Spektrums hin verschoben. Um die Bedeutung dieser Beobachtung zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was es mit dem Doppler-Effekt auf sich hat. Wie erwähnt, besteht das Licht aus Schwingungen oder Wellen des elektromagnetischen Feldes. Die Frequenz (Wellenzahl pro Sekunde) ist beim Licht außerordentlich hoch – sie liegt zwischen vierhundert und siebenhundert Billionen Wellen in der Sekunde. Die unterschiedlichen Lichtfrequenzen nimmt das menschliche Auge als verschiedene Farben wahr, wobei die niedrigsten Frequenzen (oder größten Wellenlängen) am roten Ende des Spektrums und die höchsten Frequenzen (oder kleinsten Wellenlängen) am blauen Ende auftreten. Stellen wir uns eine Lichtquelle vor – etwa einen Stern –, die sich in gleichbleibender Entfernung von uns befindet und Lichtwellen von gleichbleibender Frequenz aussendet. Natürlich wird dann die Frequenz der Wellen, die wir empfangen, gleich der Frequenz sein, mit der sie ausgestrahlt worden sind (das Gravitationsfeld der Galaxis ist nicht groß genug, um eine nennenswerte Wirkung auszuüben). Nehmen wir nun an, die Lichtquelle fange an, sich auf uns zu zu bewegen. Wenn sie den nächsten Wellenkamm aussendet, ist sie uns bereits ein Stückchen näher gerückt. Dieser Wellenkamm braucht deshalb weniger Zeit, um uns zu erreichen, als zu dem Zeitpunkt, da sich der Stern noch nicht bewegte. Das heißt, das Zeitintervall zwischen zwei bei uns eintreffenden Wellenkämmen wird kleiner; folglich erhöht sich die Zahl der Wellen, die uns pro Sekunde erreichen (also die Frequenz), und verringert sich damit die Wellenlänge gegenüber dem Zeitpunkt, da der Stern noch unbewegt verharrte. Entsprechend wäre die Frequenz der Wellen niedriger (ihre Länge größer), wenn sich die Lichtquelle von uns fortbewegte. Im Fall des Lichts bedeutet dies also, daß die Spektren von Sternen, die sich von uns fortbewegen, zum roten Ende hin verschoben (rotverschoben) sind und daß die Sterne, die sich auf uns zu bewegen, blauverschobene Spektren aufweisen. Diese Beziehung zwischen Frequenz beziehungsweise Wellenlänge und Geschwindigkeit, die Doppler-Effekt genannt wird, ist eine alltägliche Erfahrung. Denken wir an ein Auto, das auf der Straße vorbeifährt: Wenn es sich nähert, hört sich sein Motorengeräusch höher an (was einer höheren Frequenz der Schallwellen entspricht); wenn es dagegen vorbeifährt und sich entfernt, wird das Motorengeräusch tiefer. Licht- oder Radiowellen verhalten sich ähnlich. So benutzt beispielsweise die Polizei den