Astrophysik

©2007 Autor: Michael Köchling
 



Die Rotverschiebung des Lichtes.

Sir Edwin Hubble war der große Entdecker der Galaxien und der unterschiedlichen Rotverschiebungen ihres Lichtes. Ganz allgemein stellte er fest, dass je weiter eine Galaxie entfernt ist, sie eine umso größere Rotverschiebung hat. Hierzu wurden markante Linien in den Spektren verglichen. Aus diesen Ergebnissen schloss er, damit einen verlässlich guten Maßstab zu Entfernungsberechnungen für Galaxien gefunden zu haben. Hierauf begründete er die Hubble - Konstante, welche er mit ehemals 500 km / s pro Megaparsec festlegte (1 Mpc = 3,2617 Millionen Lj.). Diese Konstante besagte aber gleichzeitig, dass sich das Weltall ausdehnte, was ganz den Berechnungen von Albert Einstein entsprach, denn er hatte aufgrund der Massenverteilungen im Weltall festgestellt, dass es viel zu wenig Masse hatte, um gravitativ zusammenhalten zu können. Allerdings „wusste“ er damals noch nichts von der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie. Zumindest war er aber immer vom einem das Universum erfüllenden Medium ausgegangen, was später aufgrund der Michelson - Morley - Versuche verworfen wurde.
Ob diesen Ergebnisses waren erst einmal alle zufrieden. Wir leben demnach in einem expandierenden Universum. Wobei natürlich niemand sagen kann worin es sich befindet und wohin es expandiert. Nun, später musste aufgrund neuer Messdaten der Wert der Hubble - Konstante stark reduziert werden. Hierbei kamen verschiedene Messmethoden zur Anwendung. Da war einmal die Trigonometrie, dann die Supernovae der Klasse 1A, Cepheiden, die Masse - Leuchtkraft - Beziehungen und letztendlich die Quasare. Sie alle trugen dazu bei, dass der aktuelle Wert heute bei 72 - 75 km / s je Megaparsec angenommen wird. und obwohl dieser Wert nun viel geringer ist, expandiert das Universum scheinbar immer noch und dies auch noch sich selbst beschleunigend. Inzwischen wurden nämlich Rotverschiebungen bis zu z = 10 ermittelt. Dies entspricht einer scheinbaren Ausdehnungsrate mit zehnfacher Lichtgeschwindigkeit in einer Entfernung von etwa 13 Milliarden Lichtjahren. Allerdings bedeutet dies nicht, dass sich diese Galaxien wirklich in ihrem Bereich so schnell bewegen, sondern dies ist ein Effekt der räumlichen Ausdehnung. Sie bewegen sich lokal gesehen daher nicht schneller als die uns recht nahen Nachbargalaxien. Ob es aber realistisch ist, dass die Ausdehnungsrate des Universums derart hoch ist, möchte ich an dieser Stelle bezweifeln. Eigene Berechnugen haben da etwas vollkommen anderes ergeben. Doch davon später.
Schon immer wurde von einigen Wissenschaftlern angenommen, dass die Rotverschiebungswerte der fernen Galaxien nicht allein von ihren Radialgeschwindigkeiten abhängig sein können. Sie plädierten dafür, dass zumindest ein Teil der Rotverschiebungen auf die Verteilung von Gas und Staub im Weltall, also auf die interstellare Materie zurückzuführen ist. Das dies eine Berechtigung hat, ist schon daran zu erkennen, dass die Spektren von Sternen in Abhängigkeit der unterschiedlichen Azimuthöhen einer Korrektur bedürfen. Hauptsächlicher Verursacher ist hierfür die Brechungskraft unserer Erdatmosphäre in Kugelschalenform. Aber unsere Atmosphäre beinhaltet nicht nur Gas, sondern auch Staub, welcher zusätzlich durch Streuung eine Verschiebung des Lichtes zum roten Bereich verursacht.
Das Licht muss etwa die 5 bis 6 - fache Materialmenge in Horizontnähe durchlaufen gegenüber der Senkrechten. Wir erkennen dies unschwer an verschiedenen Sonnenständen. Steht die Sonne fast im Zenit, so strahlt sie weißgelb. Befindet sie sich dagegen dicht über dem Horizont, kann sie gelb bis orange leuchten. Es finden hierbei Brechungs- sowie Streuungseffekte des Lichtes durch die Atmosphäre statt. Ist nach Vulkanausbrüchen besonders viel Staub in der Luft, sehen wir die Sonne dicht über dem Horizont sogar dunkelorange leuchten. Daran kann man schon erkennen, wieviel Einfluss auch die interstellare Materie haben muss. Hierbei kommt allerdings erschwerend hinzu, dass die Verteilung der interstellaren Materie nicht isotrop (also nicht gleichförmig verteilt) ist. Und es gibt noch zwei Unbekannte in diesem Zusammenhang. Dies ist die Dunkle Materie und die Dunkle Energie im Universum. Diese drei genannten Faktoren wurden bisher meines Wissens nach entweder nicht ausreichend oder gar nicht berücksichtigt.
Inzwischen wissen wir aber, dass sich in und um Galaxien herum viel mehr Gas und Staub befindet, als wir früher im sichtbaren Bereich ermitteln konnten. Dabei kann man die zwei- bis dreifache Menge des ehemals sichtbaren Anteils aus Sternen und Planeten annehmen, was sich auf die Gesamtmasse einer jeden Galaxie bezieht. Dies wurde entdeckt durch die Radioteleskopie und die Infrarotteleskopie. Aber auch im Weltall außerhalb der Galaxien konnten viele riesige Wolken aus Gas und Staub entdeckt werden. Diese Materie sorgt mit ihren Brechungs- und Streueigenschaften dafür, dass das Licht auf nicht ganz geraden Bahnen zu uns gelangt und gleichzeitig verschiebt es die Spektren der darin oder dahinter befindlichen Objekte zum roten Bereich. Dabei sind die Anteile der Brechungs- und Streueigenschaften recht unterschiedlich und hängen von der Verteilung von Gas und Staub im Weltall ab. Richtig gesehen kommt das Licht durch diese Effekte auf Schlingerbahnen zu uns. Hieran hat die Gravitation ebenfalls einen Anteil, denn auch sie lenkt das Licht auf langen Distanzen hin und her, wenngleich ich in dieser Hinsicht eine andere Darstellungsweise als die offiziell bekannte bevorzuge.

Halten wir erst einmal fest. Es gibt zumindest vier Ursachen der Rotverschiebungen :

1. Die Rotverschiebungen durch Radialgeschwindigkeiten
2. Die Rotverschiebungen durch die Expansion des Raumes
3."Die Rotverschiebungen durch Streueffekte"
4."Die Rotverschiebungen durch Brechungseffekte"



Bis dato wurde praktisch nur Punkt 1 und 2 berücksichtigt und somit musste das Weltall expandieren. Dies war eine unausweichliche Schlussfolgerung.

Doch halt: Wir müssen grundsätzlich einen Unterschied machen! Nämlich zwischen einer Rotverschiebung und einem Roterscheinen! Entfernt sich nämlich ein Objekt von uns mit hoher Geschwindigkeit, werden die von ihm ausgehenden Wellen des Lichtes entsprechend dem Dopplereffekt gedehnt. Hierbei handelt es sich um eine echte Rotverschiebung. Ganz anders sieht es hingegen aus, wenn die Objekte durch Brechungs- und Streueffekte roter erscheinen. In solchen Fällen wird das kurzwelligere Licht von ultraviolett bis gelb stärker abgelenkt als das langwelligere rote Licht. Aus diesem Grund kommt bei uns von weit entfernten Objekten vorwiegend das rote Licht an, ganz so, wie es ja auch unsere Atmosphäre bewirkt. Wenn also beim Beobachten der Sterne von der Erde aus eine Korrektur wegen unterschiedlicher Azimuthöhen erfolgen muss, so haben wir es hier mit einer Roterscheinung zu tun. Praktisch gesehen wird das andere Licht einfach hinweg gefiltert, beziehungsweise abgelenkt. Letztendlich kommt aber in allen Fällen überwiegend gerötetes Licht zu uns.
Nun bleibt zu klären, auf welche Weise das interstellare Medium, sowie die Dunkle Materie und -Energie wirken können. Sollte es dazu kommen, dass das Licht auf seinen langen Wegen über viele Lichtjahre hinweg einer gewissen Ermüdung unterliegt, so kann dies ebenfalls zu einer Rotverschiebung führen. Es wäre dann eine spezifische Eigenschaft der interstellaren Medien, die unbedingt berücksichtigt werden müsste. Das dies sogar wahrscheinlich ist, können Sie aus den weiter unten von mir beschriebenen Effekten herauslesen. Danach kämen nämlich nur zwei Ursachen für eine richtige Rotverschiebung in Frage. Einmal die Eigengeschwindigkeiten der Galaxien und andererseits die räumliche Ausdehnung des Weltalls. Oder kommt etwa noch eine Eigenschaft der interstellaren Medien hinzu? Was ist wirklich zutreffend?
Eine besonders wichtige Eigenschaft eines jeden Mediums ist es nämlich, die sich darin ausbreitenden Wellen dahingehend zu beeinflussen, dass sie divergieren und zusätzlich sich aufgrund des natürlichen Widerstandes eines solchen Mediums strecken. Letzteres ist eine Rotverschiebung, welche sich auf langen Distanzen bemerkbar macht. Es bleibt nun zu klären, was zu der Divergenz und der Streckung der Wellen führt. Ist es allein der Widerstand eines jeden Mediums? Sicher nicht! Hinzu kommen Einflüsse durch unterschiedliche Strömungen in jedem Medium, denn keines ist statisch. Im Weltall ist es mit größter Wahrscheinlichkeit die überall mit unterschiedlichen Kräften wirkende Gravitation, denn sie ist von den vielen verschiedenen Massen abhängig und strömt daher mit den unterschiedlichsten Geschwindigkeiten. Nehmen wir nun die Divergenz. Sie entsteht bei gerichteten Wellen an deren seitlichen Ausläufern und ist von den Eigenschaften des Übertragungsmediums abhängig. Selbst ein nur 2mm messender Laserstrahl hat, wenn er die Mondoberfläche erreicht, schon einen Durchmesser von etwa 2m.


Somit verteilt sich seine Intensität auf eine riesige Fläche und hat demzufolge nur noch eine schwache Wirkung.
Sodann wirken die oben genannten Medien wie Dunkle Energie, Dunkle Materie, sowie Gas und Staub als interstellare Materie. Sie alle tragen zu dem Ergebnis bei und verursachen zumindest zu einem hohen Anteil die Rotverschiebungen.
Berücksichtigen wir daher einmal den Einfluss der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, so ergeben sich vollkommen differenzierte Werte der Rotverschiebungen und den damit verbundenen Geschwindigkeiten. Ja mehr noch! Sogar die Entfernungen ändern sich dadurch. Dies hat man unlängst an Spektren von Supernovae festgestellt. Es wurden recht unterschiedliche Werte im Gegensatz zu den Helligkeitsverläufen gefunden, welche mit den bekannten Entfernungen nicht übereinstimmen konnten. Offensichtlich hatte sich bei den Messungen die interstellare Materie bemerkbar gemacht, die unregelmäßig im Universum verteilt ist. Die Rotverschiebungen waren in vielen Fällen einfach zu hoch.
Einen dieser Fälle haben wir bei der Doppelgalaxie M51 in den Jagdhunden. Zuerst hatte man angenommen, dass beide Galaxien gravitativ in Wechselwirkung stehen. Die signifikant unterschiedlichen Rotverschiebungen zeigten aber, dass es sich um eine visuelle Doppelgalaxie handelt und die kleinere Galaxie weit im Hintergrund stehen muss. Weit ist hierbei relativ, denn man kann von etwa 0,5 bis zu einer Million Lichtjahre ausgehen, was aber in keinem Verhältnis mit dem gefundenen Rotverschiebungswert übereinstimmt, welcher besagt, dass diese Zwerggalaxie 2,3 Millionen Lj. weiter im Hintergrund steht. Man stelle sich vor: die Entfernung entspräche in etwa dem Abstand zwischen unserer Milchstraße und der Andromeda - Galaxie und letztere können wir mit unseren Augen kaum wahrnehmen!


Bildnachweis: M51 von Wulf-Dietger Braun mit C8, F = 2m, 9 x 10min und 3 x 10min Dunkelbild, EOS 350D modifiziert plus IDAS - Filter.
Aufnahmeort: In Unterbach bei Düsseldorf

Dies lässt sich in keiner Weise mit der Helligkeit und Größe dieser Zwerggalaxie vereinbaren. Die nicht direkt sichtbare Materie der großen im Vordergrund stehenden Galaxie, bewirkt ganz offensichtlich den zu hohen Rotverschiebungswert. Ob diesen Ergebnisses waren die daran involvierten Wissenschaftler sehr erstaunt und gaben kund, nach der Ursache forschen zu wollen. Ein Ergebnis ist mir aber derzeit nicht bekannt.
Kommen wir nun zu dem, was ich ermitteln konnte, wobei dies zwar nicht wissenschaftlich belegt, aber dennoch sehr interessant ist:
Eine meiner Überlegungen war es: Wie verhalten sich emittierte Wellen grundsätzlich wenn einmal der Emitter steht und was passiert wenn er sich entfernt, oder auf uns zu kommt? Etwas ganz Entscheidendes musste hierbei geschehen!
Die Mach´schen Gesetze bildeten hierzu die Grundlage. Bei meinen Recherchen stellte ich dann fest, dass sich die Wellen recht eigentümlich verhielten. Ganz klar, von einem stehenden Emitter breiten sich Wellen stets mit ihrer spezifischen Geschwindigkeit c gleichmäßig in alle Richtungen aus.


Bewegte ich nun aber den Emitter, so ergab sich ein vollkommen unglaubliches Bild. Die emittierten Wellen breiteten sich von dem Ort ihres jeweiligen Entstehens nach wie vor mit c aus, wobei sie aufgrund der Eigengeschwindigkeit des Emitters nach hinten etwas gedehnt austraten, was ganz dem Dopplereffekt entspricht. Gleichzeitig erfüllten sie aber die Bedingungen der Speziellen Relativität, nach der immer die Geschwindigkeit c eingehalten wird und dies vollkommen unabhängig von jeglichen Eigengeschwindigkeiten des jeweiligen Emitters.


Dies stimmte generell, solange der Emitter < = c war. In anderen Worten: Hierbei trifft das Geschwindigkeits-Additions-Theorem nicht zu. Das Licht kann sich niemals schneller als mit c bewegen. Dies liegt einfach daran, weil zu jedem neuen Zeitpunkt und Entstehungsort sich die Wellen von dort mit c ausbreiten. Dies ist fast so, als wenn der Emitter sich gar nicht bewegen würde. Allein die Wellenlängen werden durch die Eigengeschwindigkeiten des Emitters verändert. Ganz im Gegenteil dazu läuft das Licht aus der Sicht des bewegten Emitters um die Eigengeschwindigkeit vermindert voraus. Erst hierdurch wird der Dopplereffekt überhaupt verständlich und wenn der Emitter c erreicht, bildet sich wie beim Schall eine Lichtmauer aus zusammengestauchten Wellen, welche mit konventionellen Mitteln nicht durchbrochen werden kann.


Die Punkte P3, P2, P1 und P0 entsprechen den zeitlichen Positionen, von denen neue Wellen emittiert werden.
Von diesen Punkten breiten sich die Wellen mit v = c aus.
Bei gleichmäßiger Geschwindigkeit des Emitters geschieht dies kontinuierlich und erzeugt somit den Doppler-Effekt.

Dass hierbei aus der Sicht des Emitters in Bewegungsrichtung sich das Licht immer mit c ausbreitet, ist dagegen eine Eigenschaft des vom bewegten Emitter mitgenommenen Übertragungsmediums. Hierdurch findet erst bei längeren Distanzen in Bewegungsrichtung eine Kompensation statt, welche in Form der Transformationsgesetze bei Berechnungen berücksichtigt werden muss. Aus dem gleichen Grund wird der Widerstand bei Geschwindigkeiten gegen c immer größer. Es ist daher kein relativistischer Effekt, sondern ein ganz natürlicher, den wir ebenso bei jeder Fahrt durch unsere Atmosphäre erfahren. Auch hierbei muss ein immer größer werdender Widerstand durch höheren Kraftaufwand kompensiert werden, je schneller wir fahren.
Meinen Berechnungen entsprechend belaufen sich die Werte für die Dunkle Materie und Dunkle Energie zusammen zu ungefähr 68 nm auf je 100 Millionen Lichtjahre. In anderen Worten: Bei einer Milliarde Lichtjahre ergibt dies bezogen auf die gelbe Natriumlinie z = 1,156 . Damit entspräche z = 10 einer Entfernung von 8,65 Milliarden Lichtjahren. In diesem Fall bleibt praktisch für die Expansion des Universums kaum noch ein Betrag übrig und wir könnten von einem fast statischen Universum ausgehen. Ganz besonders dann, wenn wir nun noch die interstellare Materie in die Berechnungen mit einbringen. Dann haben wir ein statisches Universum mit zirka 9 bis 10 Milliarden Lichtjahre Ausdehnung. Dies entspricht allerdings nur der Sichtweite unserer heutigen Teleskope. Sollten sich nämlich später noch höhere z - Werte ermitteln lassen, wird das Universum damit nur etwas größer. Größer ist es ohnehin, denn wir schauen ja in jede Richtung in solche Entfernungen. Dem zufolge muss das uns derzeit bekannte Universum einen Durchmesser von wenigstens 26 Milliarden Lichtjahren aufweisen. Hinzu kommt aber, dass wir davon ausgehen müssen, uns nicht in der Mitte des Universums zu befinden. So gesehen können wir die wirkliche Größe des Universums in keiner Weise bestimmen. In diesem Zusammenhang möchte ich an die von mir beschriebenen Horizontprobleme in der Weltallkunde Herbst 2003 / S. 8 und Von der Unendlichkeit des Universums in Sommer 2002 / S. 9. erinnern.
Mit dem oben Beschriebenen wäre ein direkter Bezug zwischen den Rotverschiebungen, den Entfernungen und den Fluchtgeschwindigkeiten weitgehend ausgeräumt. Die Eigengeschwindigkeiten der Objekte werden ganz normal mit 100 - 1500 km /s beteiligt sein (1500 km /s entspricht z = 0,005). Damit aber tragen die Eigengeschwindigkeiten der Objekte nur unwesentlich zu den Gesamtwerten bei und lassen sich in großen Distanzen nur schwer ermitteln. Die genauen Entfernungen nun zu bestimmen, wird dadurch ungleich schwieriger. Es rückt nämlich alles ein großes Stück zusammen und das sichtbare Universum ist nicht mehr wirklich so riesig. Das Resultat davon aber ist: Was nah ist, ist in Wirklichkeit weiter weg und was fern erscheint, rückt wesentlich näher. Dadurch ist der Explosivität des Universums die Energie weitgehend entzogen.
In diesem Zusammenhang möchte ich auf eine sehr aufschlussreiche Expertenfrage(antwort) in ASTRONOMIE HEUTE, 7/8 2007, S. 9 hinweisen: Es wird dargestellt, dass bis zu einer Rotverschiebung von z = 1 die Objekte im Universum etwas kleiner erscheinen, wogegen die noch weiter entfernten Galaxien eine im Verhältnis um so größere Winkelausdehnung aufweisen je weiter sie entfernt sind. Dieser Effekt wurde mit der Ausdehnung der Raumzeit begründet. Wie wir nun jedoch wissen, kann er auch anders beschrieben werden. Und es bleibt eine Tatsache, dass die Rotverschiebungswerte nicht zu den trigonometrisch ermittelten Werten passen! Alles entspricht aber im vollen Umfang des von mir oben Dargestellten. Hier muss ganz klar zwischen verschiedenen Möglichkeiten entschieden werden und nicht immer ist die komplizierteste Lösung die richtige Lösung. Es ist daher durchaus möglich, dass die Objekte nicht wirklich so weit entfernt sind, wie es derzeit die Rotverschiebungswerte vermuten lassen und somit das Universum „etwas kleiner ist“. Und die Expansiongeschwindigkeit des Universums ist mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit weitaus geringer als bisher angenommen.
Nun noch ein Effekt, welcher für uns Amateurastronomen ganz besonders interessant erscheint. Es geht nebenbei um den direkten Beweis, dass „Photonen“ nur Wellen mit definierten Energieinhalten sind, nicht jedoch Partikel oder Teilchen. Wäre dem nicht so, hätten Teilchen keinen wirklichen Bestand und lösten sich einfach auf.
Gemeint ist das Sammelvermögen von Linsen und Hohlspiegeln. Einmal davon abgesehen, dass Teilchen kaum auf geradem Wege durch Glas oder klarem Kunststoff hindurchgehen können, was selbst den lichterzeugenden winzigen Elektronen nicht möglich ist, werden die Lichtwellen durch Brechung oder Reflexion gebündelt. Und doch verlieren sie auf ihrem Weg zum Okular entsprechend dem kleiner werdenden Öffnungsverhältnis scheinbar an Energie.
Dies muss man sich einmal vorstellen: gerichtete und gebündelte Wellen werden ebenfalls mit proportional zunehmender Entfernung zum Quadrat schwächer. Bei sich kreisförmig ausbreitenden Elementarwellen ist dies verständlich, weil sie sich bei doppelter Entfernung auf die vierfache Fläche verteilen. Warum aber nimmt die Intensität bei gebündelten Wellen ebenfalls nach der gleichen Gesetzmäßigkeit ab? Es ist nämlich ein riesiger Unterschied, ob ich ein Teleskop mit einem Öffnungsverhältnis von 1 : 5 oder 1 : 10 benutze.
Nehmen wir zum Beispiel einen gebündelten Teilchenstrahl, so wächst die Intensität im Brennpunkt entsprechend der Anzahl n - Massen mal ihrer Geschwindigkeit.
Ganz anders bei den Wellen! Die Lösung ist jedoch wie so oft recht einfach: Mit dem kleiner werdenden Öffnungsverhältnis wächst proportional die Brennweite und mit ihr der Vergrößerungsfaktor. In anderen Worten: Das gebündelte Licht fällt mit zunehmender Brennweite auf eine Fläche, welche zum Quadrat größer wird. Und schon haben wir wieder das gleiche Prinzip wie bei den Elementarwellen. Dies lässt sich mit der Berechnung der fokalen Vergrößerung überprüfen:
Als Beispiel nehmen wir den mittleren Sonnendurchmesser mit 0,5° an und einmal 1000mm Brennweite und dann die doppelte Brennweite mit 2000mm.

d = Abbildungsdurchmesser, a = Objektwinkel, F = Objektivbrennweite

Die Formel lautet: d = tan a x F
d1 = 0,5° tan x 1000mm = 8,7268677mm
d2 = 0,5° tan x 2000mm = 17,453735mm

Bei doppelter Brennweite ergibt sich exakt der doppelte Durchmesser, wobei die Fläche im Quadrat wächst, also viermal so groß ist.

©2007 Autor: Michael Köchling

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