Einführung in die Astronomie: Historische Entwicklungen

Die Anfänge der Astronomie

Der Nachthimmel mit seinen unzähligen leuchtenden Objekten hat schon vor tausenden von Jahren die Phantasie und Beobachtungsgabe von vielen Menschen angeregt.

Auf dem Knochen, der in den Höhlen von Thais bei Saint-Nazaire-en-Royans gefunden wurde, gibt es auch Reihen mit 28 bis 30 Kerben, die der Anzahl der Tage der Mondphasen in Mondzyklen entsprechen. Teilweise sind die Kerben in Wellenform dargestellt, die der schwankenden ekliptikalen Breite bei aufsteigendem und absteigendem Mond zu beobachten ist.

Es gibt unzählige Indizien, dass sich sogar die Steinzeitmenschen schon intensiv mit dem Sternenhimmel beschäftigt haben. Als Beispiele seien genannt: der Zählknochen aus der Grotte de Thaïs im französischen Vercors (12500 Jahre alt), das Sonnenobservatorium Goseck in Sachsen-Anhalt (fast 7000 Jahre alt) sowie viele spätere Kreisgrabenanlagen, wie beispielsweise Stonehenge in England oder das Ringheiligtum Pömmelte in Sachsen-Anhalt (beide mit ähnlichem Grundriss und über 4000 Jahre alt), die Tempelanlage von Mnajdra auf Malta (über 5000 Jahre alt) oder die Himmelstafel von Tal-Qadi (mindestens 4500 Jahre alt).

Die Sumerer haben den Sternenhimmel in Mesopotamien genau beobachtet. Im vierten Jahrtausend vor Christus haben sie in ihrer südlichsten Stadt Eridu (sumerisch: NUN^KI) den Stern Canopus zum ersten Mal auf dem südlichen Meridian aufsteigen sehen können, woraufhin sie diesen Stern nach nach ihrer Stadt benannten - der sumerische Name MUL.NUN^KI bedeutet "Stern der Stadt Eridu" (siehe auch Canopus / Mesopotamien). Im dritten Jahrtausend vor Christus entdeckten sie schließlich die Plejaden-Schaltregeln, mit denen sie in ihrem Mond-Sonne-Kalender ( Lunisolarkalender), die Jahre festlegen konnten, in denen ein dreizehnter Schaltmonat hinzugefügt werden musste. Innerhalb einer Meton-Periode von genau neunzehn Sonnenjahren müssen genau sieben synodische Schaltmonate angefügt werden, damit der Frühlingspunkt auf der Ekliptik stets zu Beginn des astronomischen Jahres von der Sonne erreicht wird. Das Pessachfest bei den Juden und das Osterfest bei den Christen werden noch heute entsprechend der schon damals gewonnenen astronomischen Erkenntnisse am Auftreten des ersten Vollmonds zu Beginn des astronomischen Frühjahrs festgemacht.

Die Himmelsscheibe von Nebra (1600 vor Christus) ist die wahrscheinlich älteste konkrete Abbildung des Himmels. Obwohl man sich nicht ganz einig über den konkreten Verwendungszweck ist, kann man sie als Beispiel dafür nehmen, wie früh schon sich der Mensch mit dem Himmel und dessen Beobachtung beschäftigt hat. Nicht umsonst gilt die Astronomie als eine der ältesten Wissenschaften neben der Mathematik, auf die sie sich stützt.

Viele Kulturen haben schon vor Christi Geburt Kalendersysteme aufgestellt - Die Maya, die Azteken, die Ägypter, die Babylonier, um nur einige zu nennen. Lange prägend für die mittelalterlich-abendländische Astronomie waren aber die alten Griechen, die sich schon früh in der Mathematik und der Astronomie hervortaten.

Die Entwicklung der antiken griechischen Astronomie lässt sich bereits an frühen Schriften erahnen. Sowohl Homer als auch Hesiod beschreiben astronomische Vorgänge, lassen aber noch kein tieferes Verständnis erkennen. So beschreiben beide Morgen- und Abendstern als verschiedene Objekte (in Wirklichkeit ist beides die Venus, was zum Beispiel die Babylonier bereits wussten). Auch den Tierkreis in seiner heutigen Form beschreibt Homer nur teilweise.

Ein weitergehendes Naturverständnis erreichen bis zum 5. Jahrhundert v. Chr. die Vorsokratiker. Sie entwickeln unter anderem zunehmend genauere Zeitmessmethoden, etwa Sonnenuhren, deren Grundlagen sie wahrscheinlich von den Babyloniern übernahmen. Thales von Milet sagte 585 v. Chr. eine Sonnenfinsternis voraus und beendete der Legende nach so einen Krieg. Er kann somit als der erste europäische Astronom betrachtet werden.

Anaximander, Zeitgenosse und Schüler des Thales, postuliert das geozentrische Weltbild, indem er als erster den Himmel als Kugelschale (Sphäre) mit der Erde im Zentrum beschreibt. Frühere Kulturen sehen den Himmel als Halbkugel nur über der Erdscheibe, ohne außerhalb von Mythen das Problem zu berühren, wo sich Sterne zwischen Auf- und Untergang befinden. Den Übergang zur Erde als Kugel macht Anaximander jedoch noch nicht.

Die griechische Kultur der klassischen Zeit ist die erste, die Astronomie ohne kultische oder astrologische Hintergründe, also rein aus philosophischen Überlegungen betreibt. Noch heute berühmt ist die erstaunlich genaue Messung des Erdumfangs durch Eratosthenes um 220 v. Chr., der die unterschiedlichen Schattenlängen der Sonne am gleichen Tag in Alexandria und Syene, wo sie genau im Zenit steht, auf unterschiedliche Breitengrade auf einer Kugel zurückführt. Weniger bekannt ist der Versuch des Aristarchos von Samos den Abstand zur Sonne im Verhältnis zum Mondabstand zu messen, der zwar aufgrund ungenügender Messgenauigkeit fehlschlägt (er wird um den Faktor 20 zu kurz bestimmt), aber methodisch korrekt ist.

Die griechischen Philosophen diskutierten zwar bereits ein heliozentrisches Weltbild, das nicht die Erde, sondern die Sonne als ruhendes Zentrum beinhaltet, können aber noch keine unterstützenden Beobachtungen vorlegen, so dass das geozentrische Weltbild das allgemein Anerkannte bleibt. Religiöse Eiferer wettern gegen die Vorstellungen, die Sonne könne Mittelpunkt des Kosmos sein und wünschen ihrem Verfechter Aristarchos von Samos einen Prozess; die Angelegenheit bleibt aber, anders als später bei Giordano Bruno und Galileo Galilei, letztlich folgenlos.

Hipparchos von Nicäa und andere entwickeln die astronomischen Instrumente, die bis zur Erfindung des Fernrohres fast zweitausend Jahre später in Gebrauch bleiben, wie zum Beispiel die Armillarsphäre. Hipparchos war es auch, der Längen- und Breitengrade einführte. Das Werk des Ptolemäus um 150 n. Chr. stellt den Höhepunkt und Abschluss der antiken Astronomie dar. Ptolemäus entwickelt das nach ihm benannte Weltbild und gibt mit dem Almagest ein Standardwerk der Astronomie heraus, auf dessen Sternkatalog sich Astronomen noch bis über die Renaissance hinaus berufen. Sein geozentrisches Weltbild besteht bis ans Ende des Mittelalters.

Die Kopernikanische Wende

Nicolaus Kopernikus

1509 schuf Copernicus in Heilsberg (polnisch: Lidzbark Warmiński) im preußischen Ermland den Commentariolus, in dem er die Theorie von der Sonne als Mittelpunkt der Planetenkreise und der durch die Drehung der Erde scheinbaren Bewegung der Fixsterne aufstellte. Auch kündigte er in dieser Schrift eine mathematische Ausarbeitung seiner Theorien an. Diese Arbeit machte er nur Vertrauten zugänglich, um sich nicht dem Spott der Fachwelt auszusetzen, stellte er doch damit das seit 1300 Jahren unbestrittene geozentrische Weltbild des Ptolemäus in Frage. Es gilt inzwischen als gesichert, dass Kopernikus durch die heliozentrische Theorie des antiken Astronomen Aristarchos von Samos entscheidend angeregt wurde.

Tycho Brahe

Johannes Kepler

Galileo Galilei

1609 erfuhr Galilei von dem im Jahr zuvor in Holland von Jan Lippershey erfundenen Fernrohr. Er baute aus käuflichen Linsen ein Gerät mit ungefähr vierfacher Vergrößerung, lernte dann selbst Linsen zu schleifen, und erreichte bald eine acht- bis neunfache, in späteren Jahren bis zu 33fache Vergrößerung. Galilei führte sein Instrument, dessen militärischer Nutzen auf der Hand lag (es lieferte übrigens im Gegensatz zum wenig später entwickelten Keplerschen Fernrohr aufrechtstehende Abbildung), der venezianischen Regierung, der Signoria, vor, machte tiefen Eindruck und überließ ihr das (völlig illusorische) alleinige Recht zur Herstellung solcher Instrumente, woraufhin sein Gehalt verdreifacht [nach anderer Quelle verdoppelt] wurde. Entgegen der Darstellung in Brechts Drama hat Galilei die Grundidee des Teleskops wohl nicht als seine eigene Erfindung ausgegeben; eine Gehaltskürzung im folgenden Jahr deutet aber an, dass sich die Signoria durchaus hinters Licht geführt fühlte.

Als einer der ersten Menschen nutzte Galilei ein Fernrohr zur Himmelsbeobachtung. Dies bedeutete eine Revolution in der Erforschung der Himmelskörper, denn bis dahin waren die Menschen auf Beobachtungen mit dem bloßen Auge angewiesen. Mit ihm begann die Teleskop-Astronomie. Er stellte fest, dass die Oberfläche des Mondes rau und uneben ist, mit Erhebungen und Klüften. Er erkannte, dass die dunkle Partie der Mondoberfläche von der Erde aufgehellt wird („Erdschein“). Er stellte weiter fest, dass die Planeten - im Gegensatz zu den Fixsternen - als Scheiben zu sehen sind und entdeckte die vier größten Monde des Jupiter, die er in Vorbereitung seines Wechsels an den Medici-Hof die Mediceischen Gestirne nannte, und die heute als die Galileischen Monde bezeichnet werden. Er beobachtete, dass die Milchstraße nicht ein nebliges Gebilde ist (wie es dem bloßen Auge vorkommt), sondern aus unzähligen einzelnen Sternen besteht. Diese Entdeckungen (einschließlich einer Federzeichnung der Mondoberfläche von ihm selbst), veröffentlicht im Sidereus Nuncius (Sternenbote) von 1610, machten Galilei auf einen Schlag berühmt. Der Sidereus Nuncius war innerhalb weniger Tage vergriffen.

Isaac Newton

Sir Isaac Newton ist der Verfasser der Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, wo er die universelle Gravitation und die Bewegungsgesetze beschrieb und damit den Grundstein für die klassische Mechanik legte. Newton ist ebenso einer der Begründer der Infinitesimalrechnung, die er fast zeitgleich mit Gottfried Wilhelm Leibniz, aber unabhängig von diesem und ohne Zusammenarbeit mit Leibniz entwickelte. Während Newton vom physikalischen Prinzip der Momentangeschwindigkeit ausging, versuchte Leibniz eine mathematische Beschreibung des geometrischen Tangentenproblems zu finden.

Aufgrund seiner Leistungen, vor allem auf den Gebieten der Physik und Mathematik, gilt Sir Isaac Newton als einer der größten Wissenschaftler aller Zeiten. Die Principia Mathematica werden als eines der wichtigsten wissenschaftlichen Werke eingestuft.

1666 stellte er seine Gravitationstheorie auf. Er schliff Linsen und baute ein später nach ihm benanntes Spiegelteleskop, das er dem König vorführte, der beeindruckt war. Das war der erste Schritt zu seinem Ruhm. In einem Brief an die Royal Society erwähnte Newton im Zusammenhang mit dem Bau des neuartigen Teleskops gegenüber dem damaligen Sekretär Henry Oldenburg eine neue Theorie des Lichtes. 1672 veröffentlichte er seine Niederschrift "New Theory about Light and Colours" in den Philosphical Transactions der Royal Society auf Anfrage Oldenburgs, worin er unter anderem die Brechung des Lichts erläuterte. Diese Niederschrift rief große Diskussionen hervor. Besonders zwischen ihm und Robert Hooke herrschte ein angespanntes Verhältnis, da beide angesehene Wissenschaftler waren, doch grundverschiedene Meinungen hatten und jeder auf sein Recht pochte.

Der Ausbau

Nachdem die kopernikanische Wende das Tor zu einer neuzeitlichen Astronomie aufgestoßen hatte, begann ein rasanter Ausbau der Forschungsmethoden und der astronomischen Kenntnisse.

Giovanni Domenico Cassini

(1625-1712)

Edmond Halley

(1656-1742)

Charles Messier

(1730-1817)

Wilhelm Herschel

(1738-1822)

Giuseppe Piazzi

(1746-1826)

Heinrich Wilhelm Olbers

(1758-1840)

Johann Elert Bode

(1747–1826)

Carl Friedrich Gauss

(1777-1855)

Friedrich Wilhelm Bessel

(1784-1846)

Giovanni Schiaparelli

(1835-1910)

Die Moderne

Mit dem ausgehenden 19. Jahrhundert hielten physikalische und chemische Methoden Einzug in die Astronomie. Begünstigt wurde dies von der Entwicklung der Spektralanalyse durch die Chemiker Kirchhof und Bunsen in Jahr 1859 sowie die Aufstellung des Periodensystems der Elemente durch Mayer und Mendelejew zehn Jahre später. Dadurch wurde es zum ersten Mal möglich, dem Licht der Sterne Informationen darüber abzulauschen, woraus sie bestehen und welche Vorgänge auf ihnen ablaufen.

Ejnar Hertzsprung

(1873-1967)

Albert Einstein

Einsteins Hauptwerk ist die Relativitätstheorie, die das Verständnis von Raum und Zeit revolutionierte. Im Jahre 1905 erschien seine Arbeit mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, deren Inhalt heute als spezielle Relativitätstheorie bezeichnet wird. 1916 publizierte Einstein die allgemeine Relativitätstheorie. Auch zur Quantenphysik leistete er wesentliche Beiträge: Für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts, die er ebenfalls 1905 publiziert hatte, wurde ihm 1921 der Nobelpreis für Physik verliehen. Seine theoretischen Arbeiten spielten – im Gegensatz zur populären Meinung – beim Bau der Atombombe und der Entwicklung der Kernenergie keine bedeutende Rolle.

Albert Einstein gilt als Inbegriff des Forschers und Genies. Er nutzte jedoch seinen erheblichen Bekanntheitsgrad auch außerhalb der naturwissenschaftlichen Fachwelt bei seinem Einsatz für Völkerverständigung und Frieden. In diesem Zusammenhang verstand er sich selbst als Pazifist, Sozialist und Zionist.

Alexander Alexandrowitsch Friedmann

Albert Einstein ging in seiner allgemeinen Relativitätstheorie von einem statischen Universum aus. Dazu musste er in seinen Gleichungen die kosmologische Konstante einführen. Friedmann stellte stattdessen um 1922 verschiedene Weltmodelle auf, die ein dynamisches Universum zuließen. Er hat damit die Expansion des Universums vorausgesagt, die 1929 dann von Edwin Hubble durch astronomische Messungen bestätigt wurde.

Einstein hat daraufhin die kosmologische Konstante kurzerhand wieder gestrichen und sie angeblich als „grösste Eselei meines Lebens“ bezeichnet. In Wahrheit wurde ihm dieser Spruch jedoch nur von Gamow nachgesagt.

Später wurde diese Konstante als Repräsentant der dunklen Energie wieder eingeführt.

Die Entwicklung des Universums wird durch die Friedmann-Gleichungen beschrieben.

Edwin Hubble

Hubble studierte Physik und Astronomie in Chicago sowie Rechtswissenschaften in Oxford.

Nachdem er schon 1912 als Student an der Flagstaff-Sternwarte erste Erfahrungen mit der Relativgeschwindigkeit dieser zwei Sternsysteme gemacht hatte, konnte er 1923 am Mount-Wilson-Observatorium nachweisen, dass der Andromedanebel M31 weit außerhalb unserer Milchstraße liegt. Die Ergebnisse seiner Beobachtungen und Berechnungen, Cepheids in Spiral Nebulae, legte er zur Jahreswende 1924/1925 der Jahrestagung der US-amerikanischen Astronomenvereinigung American Astronomical Society vor, wo sie am 1. Januar 1925 verkündet wurden.

Aufgrund der räumlichen Verteilung anderer Galaxien sowie ihrer im Spektrum nachweisbaren Rotverschiebung ergab sich Hubbles bekanntester Beitrag zur Astronomie: die Entdeckung der Expansion des Weltalls.

Hubble entdeckte, dass die Spektren verschiedener Galaxien nicht etwa zu gleichen Teilen ins Rote oder ins Blaue verschoben sind, sondern, dass es erheblich viel mehr rotverschobene Spektren gibt. Aus dem Dopplereffekt lässt sich daher ableiten, dass sich fast alle beobachteten Galaxien von uns entfernen. Damit nicht genug, entdeckte Hubble auch einen direkten proportionalen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung der beobachteten Galaxie, was bedeutet, dass sich eine Galaxie um so schneller von uns fort bewegt, um so weiter sie entfernt ist. Aus diesen Beobachtungen leitete er die Expansion des Universums ab, die später mit dem Urknallmodell hervorragend erklärt werden konnte. Die Größe, welche diese Expansion beschreibt, wird ihm zu Ehren die Hubble-Konstante genannt. Sie beträgt nach aktueller Messung durch WMAP im Jahr 2003 71±4 km/s pro Megaparsec (1 Mpc ~ 3 Millionen Lichtjahre).

Hubble hat auch die Hubble-Sequenz entwickelt, ein morphologisches Ordnungsschema für Galaxien.

Jan Hendrik Oort

(1900-1992)

Gerard Peter Kuiper

(1906-1973)

Hans Bethe

(1906-2005)