Gears & Stars Eine kurze Geschichte der Astronomie

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Der Blick nach oben

Eine kurze Geschichte der Astronomie: wie wir vom Zählen der Monde zum Wiegen von Galaxien kamen, und was wir noch nicht wissen.

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Früher oder später macht es jedes Kind. In einer klaren Nacht, weit weg von den Straßenlaternen, legst du den Kopf in den Nacken, und der Himmel schaut zurück: Tausende Sterne, ein blasses Band aus milchigem Licht und ab und zu ein Feuerstreif, der verschwunden ist, bevor du darauf zeigen kannst.

Seit Zehntausenden von Jahren stehen Menschen genau so da. Der Himmel hat sich in dieser Zeit kaum verändert. Verändert haben sich die Fragen, die wir ihm zu stellen lernten, und die Werkzeuge, die wir bauten, um sie zu beantworten. Diese Seite ist die Kurzfassung dieser Geschichte. Die anderen Astronomie-Seiten auf Gears & Stars greifen je eine Idee daraus auf und lassen dich damit spielen.

Vor der Schrift · ca. 40.000–1000 v. Chr.

Der Himmel als Kalender

Die ersten Astronomen waren Jäger, Hirten und Bauern, die wissen mussten, wann: wann die Herden weiterziehen, wann der Fluss über die Ufer tritt, wann gesät wird. Der Himmel war die einzige Uhr, die nie kaputtging. Manche eingekerbte Knochen aus der Eiszeit könnten Strichlisten der Mondphasen sein.

Später bauten Menschen den Kalender in die Landschaft. Stonehenge in England ist auf den Sonnenaufgang zur Sommersonnenwende und den Sonnenuntergang zur Wintersonnenwende ausgerichtet. Die Himmelsscheibe von Nebra, um 1600 v. Chr. in Deutschland vergraben, zeigt die Sonne, eine Mondsichel und den Sternhaufen der Plejaden in Bronze und Gold. Sie ist eine der ältesten bekannten Darstellungen des Himmels.

Plejaden: sieben Sterne Mondsichel Horizontbogen 82°: Spanne der Sonnenuntergänge Sonne oder Vollmond Himmelsschiff
Die Himmelsscheibe von Nebra, etwa 32 cm groß, Bronze mit Goldauflagen. Einer der beiden Horizontbögen fehlt. Vereinfachte Zeichnung.

Mesopotamien · ca. 1700–300 v. Chr.

Alles aufschreiben

In Babylon beobachteten Schreiber jahrhundertelang jede Nacht den Himmel und drückten ihre Beobachtungen in Tontafeln. Eine Tafel listet auf, wann Venus über 21 Jahre hinweg erschien und wieder verschwand. Bei so langen Aufzeichnungen werden Muster sichtbar.

Ein Venuszyklus: 584 Tage Abendstern etwa 263 Tage Morgenstern etwa 263 Tage 8 Tage weg 50 Tage weg 5 Zyklen = 8 Jahre, fast auf den Tag
Venus ist etwa 263 Tage lang Abendstern, verschwindet und kehrt dann als Morgenstern zurück. Die Babylonier hielten diese Daten auf Ton fest. Die Tafel ist nur angedeutet.

Die Babylonier fanden heraus, dass sich Finsternisse in einem Zyklus von etwa 18 Jahren wiederholen, heute Saros genannt, und konnten sie vorhersagen, ohne zu wissen, was Sonne und Mond eigentlich sind. Ihr Rechnen in Sechzigern begleitet uns bis heute: Deshalb hat ein Kreis 360 Grad und eine Stunde 60 Minuten.

Antikes Griechenland · ca. 600 v. Chr. – 150 n. Chr.

Geometrie trifft auf den Himmel

Die Griechen stellten neue Fragen: nicht nur wann, sondern warum und wie groß. Um 240 v. Chr. hörte Eratosthenes, dass die Sonne mittags zur Sommersonnenwende in Syene, im Süden Ägyptens, senkrecht in einen Brunnen schien. In Alexandria, weiter nördlich, warf ein senkrechter Stab im selben Moment einen kurzen Schatten, in einem Winkel von etwa 7 Grad.

Sonnenlicht (parallele Strahlen) 7° Erdmittelpunkt Alexandria Schatten 7° Syene kein Schatten
Sonnenlicht kommt in parallelen Linien an. Der 7°-Schatten in Alexandria ist zugleich der Winkel zwischen den beiden Städten, vom Erdmittelpunkt aus gesehen.

Sieben Grad sind etwa ein Fünfzigstel eines Vollkreises, also musste der Erdumfang etwa fünfzigmal so groß sein wie die Entfernung zwischen den beiden Städten. Sein Ergebnis lag nah am wahren Wert von 40.000 km. Dafür brauchte es nur einen Stab, einen Schatten und etwas Geometrie.

Aristarchos schlug vor, dass die Erde um die Sonne kreist, aber nur wenige ließen sich überzeugen. Hipparchos katalogisierte rund 850 Sterne und entdeckte, dass der ganze Himmel langsam taumelt, eine Bewegung, die etwa 26.000 Jahre dauert. Ptolemäus' Almagest, um 150 n. Chr. geschrieben, setzte die Erde in die Mitte und ließ die Planeten auf Kreisen laufen, die auf anderen Kreisen saßen. Das war falsch, sagte die Planeten aber gut genug voraus, um 1.400 Jahre lang benutzt zu werden.

Erde Planet Epizykel: ein kleiner Kreis… …der auf einem großen läuft Zusammen ergeben sie Schleifen, wie die Rückläufigkeit, die Planeten zeigen
Ptolemäus' Kreise auf Kreisen. Echte Planeten scheinen manchmal ein paar Wochen lang rückwärts zu wandern; der kleine Kreis erklärte das, mit der Erde weiterhin in der Mitte.

Zahnräder und Sterne

1901 fanden Schwammtaucher in einem Schiffswrack aus römischer Zeit vor der griechischen Insel Antikythera einen Klumpen korrodierter Bronze. Röntgenbilder zeigten später mindestens 30 Zahnräder darin. Der Mechanismus von Antikythera, gebaut im 2. oder 1. Jahrhundert v. Chr., ist ein Himmelscomputer mit Handkurbel: Er zeigte die Stellung von Sonne und Mond, die Mondphase und wann Finsternisse eintreten würden. Aus den folgenden tausend Jahren ist nichts auch nur annähernd so Komplexes erhalten.

Hauptrad, mit einer Handkurbel gedreht Mindestens 30 Bronzezahnräder Ein Rad hat 223 Zähne: die 223 Mondmonate des Saros-Finsterniszyklus Getriebe machen aus einer Kurbel das Tempo von Sonne und Mond
Hauptrad und ein Zahnradgetriebe des Mechanismus von Antikythera. Die Zahl der Zähne ist in der Zeichnung vereinfacht.

Von Bagdad bis Peking · ca. 800–1500

Die Lampe am Brennen halten

Während in Europa vieles von diesem Wissen verloren ging, übersetzten Astronomen in der islamischen Welt die griechischen Bücher, prüften sie am Himmel und korrigierten sie. Viele Sternnamen, die wir noch heute benutzen, wie Aldebaran, Beteigeuze und Wega, stammen aus dem Arabischen. 964 beschrieb der persische Astronom al-Sufi eine "kleine Wolke" nahe den Sternen der Andromeda. Es ist die erste schriftliche Erwähnung einer anderen Galaxie.

In Samarkand baute der Herrscher und Astronom Ulugh Beg um 1420 eine Sternwarte mit einem Instrument, das in den Hang gehauen war und einen Radius von etwa 40 Metern hatte, um die Sterne genauer als je zuvor zu vermessen. Weit im Osten führten auch chinesische Astronomen sorgfältig Buch. 1054 notierten sie einen "Gaststern", der so hell war, dass man ihn mehr als drei Wochen lang am Tag sehen konnte. Heute richten wir Teleskope auf dieselbe Stelle und sehen den Krebsnebel, die Überreste dieses explodierten Sterns.

Europa · 1543–1687

Die Erde kommt in Bewegung

1543 veröffentlichte Nikolaus Kopernikus ein Buch, das die Sonne in die Mitte rückte. Tycho Brahe vermaß danach ohne Teleskop die Planeten genauer als irgendjemand vor ihm. Sein Assistent Johannes Kepler rang jahrelang mit Tychos Zahlen für den Mars, bis er die perfekten Kreise aufgab: Planeten bewegen sich auf Ellipsen, schneller, wenn sie der Sonne nahe sind, und langsamer, wenn sie weit weg sind.

Sonne Nahe der Sonne: schnell, kurz und breit Weit weg von der Sonne: langsam, lang und schmal Jedes schattierte Stück dauert gleich lang
Keplers erste zwei Gesetze: Die Bahn ist eine Ellipse mit der Sonne in einem Brennpunkt, und eine Linie von der Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen. Die Ellipse ist hier stark gestreckt; echte Bahnen sind fast kreisrund.

1609 richtete Galileo Galilei ein Teleskop auf den Himmel. Er sah Berge auf dem Mond, vier Monde, die Jupiter umkreisen, und Venus mit Phasen wie der Mond, was nur möglich ist, wenn Venus um die Sonne kreist. 1687 zeigte Isaac Newton dann, dass eine einzige Kraft, die Gravitation, sowohl einen fallenden Apfel als auch die Bahn des Mondes erklärt. Zum ersten Mal folgte der Himmel denselben Regeln wie die Erde.

Osten Westen 7. Jan. 8. Jan. 10. Jan. 13. Jan.
Jupiter und seine "Sterne" in vier Nächten im Januar 1610, im Stil von Galileis Notizbuch. Sie wechselten jede Nacht die Plätze: Es waren Monde, die Jupiter umkreisen. Positionen vereinfacht.

1700–1900

Die Entfernungen messen

Newtons Gesetze lieferten die Form des Sonnensystems, aber nicht seine Größe. Edmond Halley fand einen Weg: Man beobachtet, wie Venus vor der Sonnenscheibe vorüberzieht, von weit voneinander entfernten Orten auf der Erde aus, misst die Zeit, und der Unterschied verrät die Entfernung zur Sonne. Für die Transits von 1761 und 1769 segelten Expeditionen um die ganze Welt. James Cooks erste Reise führte genau deshalb nach Tahiti.

Probier es selbst

Wähle zwei Beobachtungsstationen, miss die Zeit des Transits und berechne die Entfernung zur Sonne so, wie es die Astronomen des 18. Jahrhunderts taten. Der Venustransit

Halley sagte auch voraus, dass ein Komet 1758 zurückkehren würde. Er kam, nach Halleys Tod, und trägt heute seinen Namen. William Herschel entdeckte 1781 den Uranus, den ersten Planeten, der seit der Antike entdeckt wurde. 1846 wurde Neptun fast genau dort gefunden, wo er laut Mathematik sein musste, berechnet aus seiner Anziehung auf Uranus.

1838 maß Friedrich Bessel endlich die Entfernung zu einem Stern: 61 Cygni ist etwa 11 Lichtjahre entfernt, mehr als 700.000-mal weiter als die Sonne. Zur selben Zeit zerlegten Spektroskope das Sternenlicht in Regenbogen und zeigten dunkle Linien, die verrieten, woraus Sterne bestehen: aus denselben Elementen wie die Erde.

Erde im Januar Erde im Juli Sonne Naher Stern Wo er zu stehen scheint vor den fernen Sternen Bei 61 Cygni beträgt die Verschiebung nur 0,3 Bogensekunden: eine Münze aus 15 km Entfernung
Parallaxe: Von gegenüberliegenden Seiten der Erdbahn aus scheint sich ein naher Stern vor den fernen Sternen zu verschieben. Der Winkel in der Zeichnung ist enorm übertrieben.

1900–1970

Das Universum wird größer

1912 fand Henrietta Swan Leavitt heraus, dass manche pulsierende Sterne, die Cepheiden, ihre wahre Helligkeit dadurch verraten, wie schnell sie pulsieren. Damit wurden sie zu Maßstäben. 1923 fand Edwin Hubble einen davon im Andromeda-"Nebel" und zeigte, dass er weit außerhalb der Milchstraße liegt. Andromeda war eine eigene Galaxie, und es gab unzählige weitere.

Bis 1929 zeigten Hubble und andere, dass sich die Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter weg sie sind: Das Universum dehnt sich aus. Spult man den Film zurück, beginnt alles in einem heißen, dichten Anfang, dem Urknall. 1965 fanden Arno Penzias und Robert Wilson zufällig sein Nachglühen, als schwaches Rauschen in ihrer Radioantenne, das aus allen Richtungen kam.

Früher Später wir Alles entfernt sich; je weiter weg, desto schneller
Wie Rosinen in einem aufgehenden Teig: Der Raum selbst dehnt sich, also sieht jede Galaxie die anderen davonziehen. Es gibt keinen Mittelpunkt.

Von der Waffe zur Sternwarte

Nach dem Krieg wurden erbeutete V-2-Raketen von White Sands in New Mexico aus senkrecht nach oben geschossen, mit Messgeräten statt Sprengstoff an Bord. 1946 zeichneten sie das ultraviolette Licht der Sonne auf, das nie den Boden erreicht, und machten aus etwa 105 km Höhe die ersten Fotos der Erde aus dem Weltraum. Dieselbe Technik führte zu den Raketen, die 1957 Sputnik in die Umlaufbahn und 1969 Menschen auf den Mond brachten. Wie die V-2 funktionierte

Heute

Was wir heute wissen

Heute arbeiten Astronomen mit Teleskopen im Orbit, auf Berggipfeln und sogar im Eis der Antarktis vergraben. Wir haben Nahaufnahmen von jedem Planeten, und Voyager 1, 1977 gestartet, hat die Blase des Sonnenwinds ganz verlassen. Seit 1995 haben wir mehr als 6.000 Planeten um andere Sterne gefunden. 2015 haben wir zum ersten Mal Wellen im Raum selbst gemessen, ausgelöst durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher, und 2019 sahen wir den Schatten eines Schwarzen Lochs. Das James-Webb-Weltraumteleskop sieht heute Galaxien, deren Licht sie vor mehr als 13 Milliarden Jahren verlassen hat.

13,8 MilliardenJahre seit dem Urknall
100–400 MilliardenSterne in unserer Milchstraße
6.000+Planeten um andere Sterne gefunden
8 min 20 sbraucht das Sonnenlicht bis zur Erde
2,5 MillionenJahre braucht das Licht von Andromeda zu uns
5 %des Universums sind die gewöhnliche Materie, die wir sehen können

Diese letzte Zahl macht demütig. Der Rest ist Dunkle Materie und Dunkle Energie, und niemand weiß, was sie sind. Einige der großen offenen Fragen:

  • Was sind Dunkle Materie und Dunkle Energie?
  • Gibt es irgendwo anders Leben, und sei es nur eine Mikrobe?
  • Was geschah im allerersten Augenblick, und gab es ein "Davor"?
  • Wie konnten die ersten Sterne und Galaxien so schnell nach dem Urknall entstehen?

Jede Generation in dieser Geschichte glaubte, dem vollständigen Bild nahe zu sein. Der Himmel beweist immer wieder das Gegenteil, und das ist der beste Grund, weiter nach oben zu schauen.

Fang mit einer der großen Expeditionen des 18. Jahrhunderts an: das Sonnensystem mit einem schwarzen Punkt auf der Sonne vermessen.

Der Venustransit