Astronomie (v. griech. ástron "Stern" u. nómos "Gesetz") ist die Wissenschaft von den Himmelskörpern (und hat nichts zu tun mit der ►Astrologie). Die Astronomie befasst sich mit der Erforschung von Planeten, Monden, Fixsternen, Sternhaufen, Galaxien, Galaxienhaufen, ►Quasaren, interstellarer Materie, kosmischer Strahlung, ►Schwarzen Löchern und dergleichen. Untergebiet der Astronomie ist die Kosmologie, die unter anderem das Ziel hat, Erkenntnisse zur zeitlichen oder räumlichen Unendlichkeit des ►Universums zu gewinnen.

Weltbild des Ptolemäus

Astronomie begann mit der Beobachtung des Nachthimmels und der Feststellung von Regelmäßigkeiten im Lauf von Sonne und Planeten. Hieraus ließen sich Bewegungsgesetze ableiten. Frühe Astronomen konnten mit Hilfe dieser Gesetze Sonnen- und Mondfinsternisse präzise voraussagen und dadurch Ruhm und Ehre gewinnen.

Die erste Kultur, die sich Berufsastronomen leistete, waren die Babylonier. Sie benutzten ein auf der Zahl 60 basierendes ►Zahlensystem, um die Positionen von Mond, Sonne und Planeten aufzuzeichnen. Im babylonischen Weltbild befand sich die Erde im Mittelpunkt, umgeben von Wasser. Um die Erde herum bewegten sich Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter und Saturn. Jenseits des Saturns erstreckte sich ein rundes Gewölbe, an dem die Fixsterne angeheftet waren. Alles war von Wasser umschlossen.

Die Griechen übernahmen zunächst das Weltbild der Babylonier. Thales von Milet beschrieb um 500 v. Chr. die Erde als eine flache, von Wasser umgebene Scheibe. Spätere griechische Denker brachten an diesem Modell erhebliche Modifikationen an.

Anaxagoras (um 450 v. Chr.) hielt die Erde für einen vertikalen Zylinder, auf dessen runder Stirnseite wir leben. Der Mond war eine Spiegelung des Sonnenlichts und Mondfinsternisse ein Resultat des Erdschattens, der das Sonnenlicht abdeckt.

Eudoxus (um 350 v. Chr.) beschrieb die Bewegungen der Planeten um die Erde als kleine Kreise auf großen Kreisbahnen. Die Kombination von zwei Kreisbewegungen war nötig, um die seltsame Bahn der Planeten relativ zur stillstehenden Erde zu erklären. Diese bewegen sich nämlich meistens in die gleiche Richtung, manchmal jedoch rückwärts.

Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) überarbeitete das Modell des Eudoxus. Durch Hinzufügen von noch mehr Kreisen gelang es ihm, die Planetenpositionen in einem halbwegs mit den Beobachtungen übereinstimmenden Modell zu beschreiben.

Aristarchus (um 250 v. Chr.) machte die erste grobe Abschätzung der Entfernungen von Sonne und Mond. Nach seinen Berechnungen war die Sonne zwanzigmal weiter von der Erde entfernt als der Mond. Da sie uns gleichgroß erscheint, musste sie also in Wirklichkeit auch zwanzigmal größer sein. Aristarchus fragte sich, ob es dann Sinn macht, dass sich die Sonne um die Erde bewegt. Wenn die Sonne soviel größer ist, sollte es dann nicht umgekehrt sein?

Ptolemäus (um 150 n. Chr.) überarbeitete das Modell des Eudoxus und Aristoteles und fasste in seinem Buch Amalgest das astronomische Wissen seiner Zeit zusammen. Er beschrieb ein kompliziertes Modell von Planeten-Kreisbahnen, deren Mittelpunkte sich wiederum auf größeren Kreisbahnen, den Deferenten, bewegten. Er justierte die Kreise so lange, bis er eine gute Übereinstimmung mit den beobachteten Planetenpositionen erzielte.

Thomas von Aquin (1225 - 1274) machte das geozentrische Weltbild des Ptolemäus zum christlichen Dogma, das die nächsten 700 Jahre innerhalb der Kirche Bestand haben sollte.

Nicolaus Kopernikus (1473 - 1543) entwarf ein völlig neues Weltbild mit der Sonne im Zentrum, umgeben von Erde und Planeten auf kreisförmigen Bahnen. Dies endlich erklärte die seltsame Rückwärtsbewegung der Planeten, die sich immer dann ereignet, wenn die Erde auf ihrer Bahn einen äußeren Planeten überholt. Allerdings stimmte sein Modell nicht mit den Beobachtungen überein. Deshalb musste auch er auf Eudoxus' und Aristoteles' komplizierte Kreise auf Kreisen zurückgreifen.

Tycho Brahe (1546 - 1601) stellte die bis dahin genauesten Tabellen der Planetenbewegungen auf, basierend auf präzisen Messungen mit einem Quadranten. Er entwickelte ein neues Konzept des Sonnensystems, wonach sich zwar die Planeten um die Sonne bewegen, diese aber wiederum die Erde umkreist. Da man aus Beobachtungen von zwei Körpern allein nicht entscheiden kann, welcher nun welchen umkreist, war dieses Konzept dem Weltbild des Kopernikus prinzipiell ebenbürtig.

Sternwarte des Tycho Brahe

Johannes Kepler (1571 - 1630) hatte die Idee, dass sich Erde und Planeten nicht auf Kreisbahnen, sondern auf Ellipsen um die Sonne bewegten, und zwar mit einer vom Bahnradius abhängigen Geschwindigkeit. Nun endlich verfügte man über ein einfaches Modell des Sonnensystems, das perfekt mit den Beobachtungen übereinstimmte.

Galileo Galilei (1564 - 1642) erforschte als erster den Himmel mit einem Fernrohr. Er entdeckte die Monde des Jupiters und stellte fest, dass die Milchstraße aus einer Vielzahl einzelner Sterne besteht. Die Kirche zwang ihn schließlich unter Androhung von Folter und Tod, sich öffentlich wider besseres Wissen zum geozentrischen Weltbild zu bekennen.

Isaac Newton (1642 - 1727) gelang es, die Planetenbewegung durch ein einfaches Gravitationsgesetz vollständig zu erklären. Damit war das geozentrische Weltbild endgültig widerlegt. Es wurde zwar noch bis ins 19. Jahrhundert von der Kirche beibehalten, aber von Wissenschaftlern nicht mehr ernst genommen.

Hölzernes 40-Zoll-Spiegelteleskop des Wilhelm Herschel, 1785

Wilhelm Herschel konstruierte Ende des 18. Jahrhunderts zahlreiche leistungsfähige ►Spiegelteleskope. Er entdeckte den Planeten Uranus und erstellte, unterstützt von seiner Schwester Caroline Herschel, einen vollständigen Katalog aller sichtbaren Sterne und Galaxien.

Friedrich Bessel gelang 1838 die erste Messung der Entfernung eines Sterns nach der Parallaxenmethode (s. ►Entfernung). Er ermittelte die Entfernung zum Stern 61 Cygni mit 100 Billionen Kilometern - die weiteste Entfernung, die bis dahin je von Menschen gemessen wurde.

Der Anfang aller Dinge

Bis zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts nahmen Astronomen an, das Universum sei ►ewig, ►unbegrenzt (wenn auch nicht notwendigerweise unendlich) und unveränderlich. Dieses Weltbild eines statischen Universums ohne Anfang und Ende wurde 1929 in seinen Grundfesten erschüttert, ähnlich wie das ptolemäische Weltbild 400 Jahre vorher von Kopernikus und Kepler aus seinen Angeln gehoben wurde.

Edwin Hubble maß 1929 die Spektrallinien entfernter Galaxien und stellte fest, dass diese ins Rote verschoben waren - und zwar um so mehr, je lichtschwächer, d.h. je weiter entfernt die betreffende Galaxie war. Hubble nahm an, dass diese ►Rotverschiebung durch einen Doppler-Effekt verursacht wurde und dass alle Galaxien sich voneinander fortbewegen - und zwar um so schneller, je weiter sie voneinander entfernt sind. Demnach muss es einen Zeitpunkt in der Vergangenheit gegeben haben, an dem alle Galaxien und Sterne am gleichen Ort waren. Da Hubble als Ursache für das Auseinanderstreben der Galaxien eine Art primäre Explosion annahm, bürgerte sich für diesen Zeitpunkt die Bezeichnung "Urknall" ein.

In den 1950ern wurde die Wasserstoffbombe entwickelt. Da ein Stern im Prinzip nichts anderes ist als eine permanente Wasserstoffbombenexplosion unter Gravitationsdruck, begann die Astronomie nun den nuklearen Mechanismus im Inneren von Sternen zu verstehen. Während der Lebenszeit eines Sterns ändert sich auf charakteristische Weise seine Helligkeit und Temperatur in Abhängigkeit von seiner Masse. Die Astronomie hatte nun einigermaßen zuverlässige Methoden an der Hand, um die ►Entfernung von Sternen anhand ihrer Temperaturen und Helligkeiten zu bestimmen.

Es stellte sich heraus, dass die fernsten Galaxien, deren Rotverschiebung man kannte, mehrere Milliarden Lichtjahre (s.u.) entfernt waren. Aus ihrer Geschwindigkeit ließ sich nun berechnen, dass ihre Bewegung vor 10 Milliarden Jahren begonnen hatte. Dies war die erste grobe Abschätzung des Alters des Universums.

Präzisere Entfernungsmessungen ergaben später, dass die Rotverschiebung nicht durch ein Auseinanderbewegen der Galaxien verursacht wurde, wie Hubble angenommen hatte, sondern durch eine Ausdehnung des Raums selbst. Dies ergab eine leicht unterschiedliche Formel für die Berechnung der Distanz aus der Rotverschiebung. (In manchen Lehrbüchern wird immer noch fälschlicherweise der geschwindigkeitsbedinget Doppler-Effekt als Ursache der Rotverschiebung angegeben).

Das bessere Verständnis der Quantenmechanik erlaubte die Berechnung eines mathematischen Modells des ►Urknalls. Nach diesem Modell wurde 400000 Jahre nach dem Urknall das anfängliche Urplasma durchsichtig und erlaubte das Entkommen von vorher im Plasma 'gefangener' Strahlung. Diese Strahlung, sofern das Modell richtig war, muss heute noch sichtbar sein. In der Tat entdeckten 1964 zwei amerikanische Physiker die kosmische ►Hintergrundstrahlung. Dies war der endgültige Beweis für den Urknall.

In den 1980ern und 1990ern erlaubt das ►Hubble-Weltraumteleskop und andere fortgeschrittene Teleskope die Entfernungsmessung von Galaxien mit hoher Präzision, insbesondere durch die Analyse der Strahlung von Supernovae. Es ergab sich, dass eineige Galaxien offenbar älter waren als die 10 Milliarden Jahre, die für das Alter des Universums angenommen wurden. Dieses Rätsel wurde später durch die Entdeckung erklärt, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt (bis dahin nahm man an, dass die Ausdehung durch die Gravitation abgebremst wird). Die neuen Daten ergaben ein Alter des Universums von 13.7 Milliarden Jahren.

Wir können jedoch prinzipiell nicht unendlich weit ins Weltall schauen. Astronomische Beobachtungen sind auf das ►Hubble-Volumen beschränkt, einen kugelförmigen Bereich von 46 Milliarden Lichtjahren Radius. Aus den Beobachtungen und den bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen sich aber begründete Vermutungen über den Zustand des Universums außerhalb dieses Beobachtungsbereichs ableiten (s. ►Parallelwelten).

Eines der wichtigsten, wenn nicht das wichtigste Gebiet der Astronomie überhaupt ist das Bestimmen der ►Entfernungen zu beobachteten Himmelsobjekten. Astronomische Entfernungen werden oft nicht in Meter angegeben, sondern in Lichtjahren oder Parsec. Ein Lichtjahr* ist die Strecke, die ein Lichtstrahl im Vakuum in 365,25 Tagen zurücklegt (1 Lichtjahr = 9.460.528.000.000 Kilometer). Ein Parsec ist die Entfernung eines Sterns, der von gegenüberliegenden Positionen der Erdbahn genau um eine Bogensekunde, d.h. 1/3600 Winkelgrad gegen den Hintergrund verschoben erscheint (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Einige astronomische Entfernungen:

* Journalisten verwechseln Lichtjahre gern mit Jahren. Wundern Sie sich also nicht, wenn Sie z.B. im ►SPIEGEL lesen, das Universum sei vor 13,7 Milliarden Lichtjahren entstanden.

** Alpha Centauri ist in Wirklichkeit ein Doppelstern, ein System aus zwei einander umkreisenden Sternen. Der Rote Zwergstern Proxima Centauri ist uns mit einer Entfernung von 4,24 Lichtjahren noch etwas näher, jedoch mit bloßem Auge nicht sichtbar. Von Europa aus liegen die Centauri-Sterne stets unter dem Horizont.

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