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Astrowissen (FAQ)

Wie kann man beweisen, dass die Erde wirklich rotiert und nicht der Himmel, wie es doch scheint?

"Sie sind eingeladen zu sehen, wie die Erde sich dreht." Dieses Versprechen gibt der Franzose Léon Foucault am 2. Februar 1851 den Wissenschaftlern in Paris. Und nur acht Wochen später, an einem Donnerstag, sieht es die ganze Stadt. Unter der Kuppel des Panthéon, einer großen Gedächtnis- und Begräbnisstätte, schwingt eine schwere Kugel an einem 67 Meter langen Seil. Das Pendel wandert über den Boden wie der Zeiger einer Uhr – doch es ist der Boden selbst, der sich dreht.
Foucault präsentiert ein Experiment, auf das die Wissenschaft lange gewartet hat. Rund 200 Jahre zuvor war Galileo Galilei (1564-1642) als Ketzer verurteilt worden – er hatte keinen Beweis für die Erdrotation. Galilei hatte die Lehren des Astronomen Kopernikus (1473-1543) verbreitet. Er verkündete, die Erde kreise um die Sonne. Tag und Nacht entstehen, weil die Erde sich um ihre eigene Achse drehe. Nicht weil die Sonne um die Erde kreise, wie die katholische Kirche es lehrte.

 

Wie kann man beweisen, dass die Erde wirklich um die Sonne kreist und nicht umgekehrt, wie es doch scheint?

Aristarchos von Samos (310 - 230 v. Chr.) wusste schon: Wenn nicht die Erde, sondern die Sonne im Zentrum steht, so müssten wir eigentlich eine Parallaxe beobachten. Das Erscheinungsbild des Sternhimmels müsste sich abhängig von der aktuellen Position während eines Umlaufs der Erde um die Sonne verändern.
Tatsächlich ist diese Parallaxe selbst bei den sonnennächsten Sternen kleiner als eine Bogensekunde und daher mit bloßem Auge nicht feststellbar. Diese anscheinend fehlende Parallaxe war das Hauptargument gegen ein heliozentrisches Modell. Er erklärt sie durch eine unvorstellbar große Entfernung zu den Fixsternen, gegenüber der der Durchmesser der Erdbahn verschwindend klein sei.
Die Fixsternparallaxe wurde erst 1838 nachgewiesen. Mit einem Heliometer, einem Refraktor-Fernrohr zur präzisen Messung sehr kleiner Winkel, konnte Friedrich Bessel die erste Fixsternparallaxe an 61 Cygni bestimmen und die Entfernung dieses Sterns berechnen.

 

Warum ist bei uns Sommer, wenn die Erde am weitesten von der Sonne weg ist und nicht umgekehrt?

Die ausgeprägten Jahreszeiten auf der Erde gibt es, weil die Erdachse schief steht (ca. 23,5°). Dadurch schwankt der Sonnenstand (Höhe) der Sonne am Mittag je nach Jahreszeit um ±23,5°. Die Sonne steht also zur Wintersonnenwende 47 Grad tiefer als zur Sommersonnenwende. Dadurch fallen die Sonnenstrahlen im Winter viel schräger auf die Erdoberfläche als im Sommer. Auf die gleiche Fläche fällt also viel weniger Sonnenlicht. Durch die niedrigere scheinbare Sonnenbahn ist die Sonnenscheindauer auch noch geringer. Entsprechend bleibt weniger Zeit und weniger Licht um die Erde tagsüber aufzuwärmen. Der geringe Abstandsunterschied zwischen Winter und Sommer fällt da überhaupt nicht ins Gewicht. Übrigens ist auf der Südhalbkugel der Erde Winter, wenn auf den Nordhalbkugel Sommer ist - und beide sind dabei gleich weit von der Sonne entfernt.

 

Warum ändert der Mond regelmäßig sein Aussehen?

Das ist ja wie der Yoyo-Effekt bei Diäten - ständig wechselndes Zu- und Abnehmen. Vielleicht ist der Mond bolemiekrank?
Nein, im Ernst: Der Mond bekommt sein Licht von der Sonne und reflektiert es. Da er sich in einem Monat um die Erde bewegt, ändert sich regelmäßig der Winkel Sonne-Erde-Mond.
Wenn Sonne, Erde und Mond auf einer geraden Linie liegen, dann fällt das Sonnenlicht an der Erde vorbei auf den Mond, und seine gesamte beleuchtete Seite ist von der Erde aus zu sehen. Es ist Vollmond.
Wenn der Winkel Sonne-Erde-Mond genau 90° ist, dann sieht man von der Erde aus genau senkrecht auf die Trennlinie zwischen Licht und Schatten auf dem Mond, und kann also nur die Hälfte der beleuchtete Seite sehen. Es ist zunehmender oder abnehmender Halbmond.
Wenn Sonne, Mond und Erde auf einer geraden Linie liegen, dann fällt das Sonnenlicht auf die erdabgewandte Seite des Mondes, und seine gesamte unbeleuchtete Seite ist von der Erde aus nicht zu sehen, weil sie dunkel ist. Es ist Neumond.

 

Warum kann man niemals morgens einen zunehmenden und niemals abends einen abnehmenden Mond sehen?

Blickt man von Norden auf das System Sonne-Erde-Mond, dann bewegt sich der Mond entgegengesetzt zur Uhrzeigerrichtung in einem Monat um die Erde, also von der Erde aus gesehen von rechts nach links oder auch von west nach ost.
Ein abnehmender Mond ist somit immer mehr oder weniger westlich der Sonne, geht morgens im Dunklen vor der Sonne auf und ist abends schon untergegangen, bevor die Sonne untergeht und es dunkel wird.
Ein zunehmender Mond ist andererseits immer mehr oder weniger östlich der Sonne, geht also abends erst nach der Sonne unter und ist morgens noch nicht aufgegangen, wenn die Sonne schon am Himmel leuchtet.
Einen Weihnachtskalender mit abnehmender Mondsichel kann man wieder zurückgeben, weil es sich dann nicht um den Weihnachtsabend handeln kann.

 

Woher weiß man, wie weit die Sonne von der Erde entfernt ist?

1 AE ist 149,6 Mill km, aber woher weiß man das?
Aristarch von Samos (um 320 - 250 v. Chr.) hatte die Entfernung zwischen Erde und Sonne zu 19 Mondabständen bestimmt.
Hipparchus (190 - 120 v. Chr.) und Ptolemäus (85 - 165) leiten aus Beobachtungen von Mondfinsternissen einen Sonnenabstand von 1210 Erdradien her, entsprechend einer Sonnenparallaxe von 166''.
Dieser Wert hatte viele Jahrhunderte mit nur kleinen Änderungen Bestand: Nikolaus Kopernikus (1473 - 1543) und Tycho Brahe (1546 - 1601) gaben die mittlere Sonnenentfernung mit 1142 Erdradien an (Sonnenparallaxe 180'').
Nach Kepler (1571 - 1630) beträgt sie Sonnenparallaxe 60''. Seine Planetengesetze liefern hochgenaue, aber nur relative Entfernungen der Planeten von der Sonne.
Erst die Auswertung der Venusdurchgänge lieferten genauere Werte. Dieses Ereignis, bei dem die Venus vor der Sonnenscheibe vorbeizieht, hatten Jeremiah Horrox und William Crabtree erstmals am 4. Dezember 1639 beobachtet.
Die Idee, aus der Beobachtung von Transiten die Sonnenparallaxe zu bestimmen, hatte Edmond Halley (1656-1762). Seinem Aufruf folgend erwarteten 19 Jahre nach seinem Tod fast zweihundert Astronomen an mehr als 120 Orten die nächste Venuspassage am 6. Juni 1761.
Die Ergebnisse waren insgesamt enttäuschend: die ungenaue Kenntnis der geographischen Länge und das Phänomen des schwarzen Tropfens bedingt durch ein Zusammenwirken der Venusatmosphäre und der Sonnenkorona), das den Fehler in den Kontaktzeiten auf mehr als 30 Sekunden steigerte. Die Werte für die Sonnenparallaxe lagen zwischen 8.5'' und 10.5'', entsprechend einem Sonnenabstand zwischen 155 und 125 Millionen Kilometer (berechnet mit Erdradius 6371.14 km).

 

Woher weiß man, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat und wie wurde sie erstmals bestimmt?

Um 1670 führte der dänische Astronom Ole Rømer sehr genaue Beobachtungen des Jupitermondes Io durch. Io umläuft alle 1,76 Tage den Jupiter. Rømer erwartete, dass er die Stellung des Jupitermondes recht genau vorhersagen könnte. Aber zu seiner Überraschung fand er, dass der Mond nicht immer genau dann hinter dem Jupiter hervorkam, wenn er es erwartete. Zu bestimmten Zeiten im Jahr schien er ein bisschen zu spät zu sein; zu anderen Zeiten wiederum etwas zu früh.
Rømer erkannte dabei, dass Io seiner vorhergesagten Bahn vorauseilte, wenn die Erde näher am Jupiter war, und zurückblieb, wenn sie weiter weg war.
Aus der scheinbaren Veränderung der Zeit des Erscheinens von Io und der jahreszeitlichen Änderung des Abstandes zwischen Erde und Jupiter konnte Rømer ausrechnen, dass Licht 22 Minuten für einen Erdbahndurchmesser braucht, also eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt. Mit dem damaligen noch ungenauen Wert des Erdbahndurchmessers ergab das etwa 230.000 Kilometer pro Sekunde.

 

Wie kann man beweisen, dass es den Urknall wirklich gegeben hat?

Beweise für den Urknall gibt es heute zwei: Zum ersten die kosmische Hintergrundstrahlung und zum zweiten die Expansion des Universums. Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) lieferte 1929 den Beweis dafür, dass sich unser Universum ausdehnt, indem er entdeckte, dass die Spektren von weit entfernten Galaxien stärker rotverschoben waren als die im Labor. Diesen Effekt nennen wir heute Doppler-Effekt.
Wenn sich eine Lichtquelle vom Beobachter entfernt, so werden die Wellenlängen des Lichts länger, das heißt sie verschieben sich in den roten Bereich des Spektrums, die sogenannte Rotverschiebung. Für Hubble gab es damals nur eine Erklärung dafür. Die von ihm beobachteten Galaxien müssten sich von der Milchstraße entfernen. Daraus schloss Hubble schließlich auch, dass die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien umso höher sein musste, je weiter sie von der Milchstraße entfernt sind. Doch das bedeutet nicht, dass die Milchstraße eine zentrale Position im Universum einnimmt. Alle Galaxien entfernen sich voneinander, so dass von jeder Galaxie aus der selbe Effekt zu beobachten ist. Würde die Zeit rückwärts laufen, so würde sich alle Materie zusammen ziehen. Die Temperatur und die Dichte des Universums würden immer weiter ansteigen bis sich die gesamte Materie an einem Punkt von unendlicher Temperatur und Dichte vereinigen würde: Dem Urknall.

 

Was war vor dem Urknall?

Unser Universum entstand nach der allgemein anerkannter Theorie im so genannten Urknall. Die Existenz von Raum und Zeit begann mit diesem Ereignis, so dass sich eine Frage nach dem "Davor" eigentlich von selbst verbietet. Für viele ist dies allerdings alles andere als befriedigend.

 

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