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Astronomie

 

die, -, Sternkunde, Himmelskunde, die Wissenschaft, die sich mit der Erforschung des Universums befasst, das heißt mit der kosmischen Materie, ihrer Verteilung und Bewegung, ihrem physikalischen Zustand, ihrer chemischen Zusammensetzung sowie ihrer Entstehung und Entwicklung, aber auch mit der raumzeitlichen Struktur der Welt als Ganzem. Grundlage ist die Analyse der aus dem Kosmos ankommenden elektromagnetischen Strahlung unterschiedlicher Frequenz, der kosmischen Teilchenstrahlung und gegebenenfalls der Gravitationsstrahlung. Die Astronomie umfasst mehrere selbstständige Gebiete, die sich zum Teil erst im Laufe der letzten 100 Jahre ausgebildet haben.

 

Teilgebiete der Astronomie:

 

Zu den klassischen Teilgebieten der Astronomie gehören die Astrometrie, die sich mit der Orts- und Bahnbestimmung der Gestirne an der Himmelskugel befasst, die Himmelsmechanik, die die unter dem Einfluss der Gravitation erfolgende Bewegung der Gestirne im Raum berechnet, sowie die Stellarstatistik und Stellardynamik, in deren Rahmen Aufbau und Dynamik abgegrenzter Objektgruppen wie Sternhaufen und Sternsysteme, z. B. auch des Milchstraßensystems, analysiert werden. Gegenwärtig nimmt die Astrophysik den breitesten Raum in der astronomischen Forschung ein. Sie untersucht die von den außerirdischen Objekten kommende Strahlung auf Intensität, spektrale Zusammensetzung und Polarisationsgrad, um Auskunft über den physikalischen Zustand und die chemische Zusammensetzung der Himmelskörper zu erhalten. Entsprechend der beobachteten Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums wird die Astrophysik unterteilt in Gammaastronomie, Röntgenastronomie, Ultraviolettastronomie, optische Astronomie, Infrarotastronomie, Submillimeterastronomie und Radioastronomie. Eine Wellenstrahlung sucht auch die Gravitationswellenastronomie nachzuweisen, die von stark beschleunigten massereichen Himmelskörpern ausgeht. Neben Wellenstrahlung wird auch korpuskulare Strahlung untersucht, z. B. die von der Sonne ausgehenden Neutrinos (Neutrinoastronomie), die Auskunft über Kernfusionsprozesse im Sonneninnern geben, sowie die kosmische Strahlung. Die extraterrestrische Astronomie nutzt die Möglichkeiten der Raumfahrt, um mithilfe von Forschungsraketen, künstlicher Erdsatelliten oder Raumsonden diejenigen Bereiche der von den kosmischen Objekten ausgesandten elektromagnetischen Strahlung zu untersuchen, die aufgrund der Absorption durch die Erdatmosphäre von der Erdoberfläche aus nicht zu registrieren sind. Auch sind die Erforschung des Mondes und der näheren Planeten mit geowissenschaftlichen Methoden und die direkte Untersuchung der interplanetaren Materie möglich sowie die Untersuchung von Kometen und der weiter entfernten Planeten einschließlich deren Satelliten (Monde) aus großer Nähe. Davon profitieren v. a. die Planetenforschung und die Kometenforschung sowie der Teil der Kosmogonie, der sich mit der Entstehung des Planetensystems beschäftigt.

 

Zu den theoretisch orientierten Gebieten innerhalb der Astrophysik gehört die Stellarastronomie, unter der man alle die Zweige zusammenfasst, die sich mit den Sternen beschäftigen. Zu ihr zählen v. a. die Theorie der Sternatmosphären sowie die des Sternaufbaus und der Sternentwicklung. Die Theorie der interstellaren Materie setzt sich hingegen mit den physikalischen und chemischen Prozessen auseinander, die im interstellaren Raum ablaufen. Speziell mit der Sonne, dem uns nächsten und am besten untersuchten Stern, beschäftigt sich die Sonnenphysik. Die Kosmogonie untersucht die Entstehung und Entwicklung der Himmelskörper, während sich die Kosmologie mit der Struktur des Weltalls als Ganzem befasst. Die relativistische Astrophysik schließlich untersucht die Prozesse im Weltall, deren Ablauf durch extrem hohe Energien bestimmt werden und zu deren Beschreibung die Gesetze der Relativitätstheorie maßgebend sind.

 

 Geschichte

 

Anfänge der Astronomie:

 

Die Anfänge der Astronomie liegen im Dunkeln, doch konnten die frühen Hochkulturen (Ägypter, Babylonier, Chinesen) bereits aufgrund ausdauernder systematischer Himmelsbeobachtungen besondere astronomischer Ereignisse vorausberechnen (Finsternisse, Planetenbewegung); die Astronomie diente ihnen v. a. zur Kalender- und Zeitbestimmung (Sonnenjahr, Mondjahr), wobei zum Ausgleich zwischen Mondjahr (rund 354,4 Tage) und Sonnenjahr (rund 365,25 Tage) komplizierte Schaltregeln entwickelt wurden. Erste Versuche, den Aufbau des Himmels zu erklären, sind aus dem klassischen Griechenland bekannt (griechische Astronomie). Ausgehend von den augenfälligen Beobachtungen, die ein geozentrisches Weltbild nahelegen, wurden die sieben »Wandelsterne« (Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn) auf Kristallsphären befestigt gedacht, die sich relativ zur äußeren Fixsternsphäre um die Erde als Mittelpunkt bewegen. Die ungleichförmige Bewegung der Planeten wurde später durch die Epizykeltheorie erklärt, die zusammen mit dem geozentrischen Weltbild von Ptolemäus um 150 n. Chr. in seinem Buch »Almagest« dargestellt wurde. Dieses ptolemäische Weltbild blieb bis zum Ausgang des Mittelalters unumstritten, obwohl bereits Aristarchos von Samos um 260 v. Chr. ein heliozentrisches Weltbild vorgeschlagen hatte. Er bestimmte u. a. das Verhältnis der Entfernungen von Sonne und Mond; rund 20 Jahre nach ihm ermittelte Eratosthenes von Kyrene den Umfang der Erde. Während des Mittelalters wurde das griechische Weltbild von den Arabern gepflegt, die jedoch wenig eigene Beobachtungen beisteuerten; aus dieser Zeit stammen aber zahlreiche Eigennamen von Sternen.

 

16. und 17. Jahrhundert:

 

Eine Erneuerung der Astronomie setzte von Mitteleuropa ausgehend im 15. Jahrhundert ein, angestoßen u. a. durch die Abweichungen der beobachteten Planetenbewegungen relativ zu den vorausberechneten Örtern sowie die Diskrepanz zwischen dem julianischen Kalender und dem wirklichen Sonnenlauf (Kalender). So entwickelte N. Kopernikus um 1510 eine heliozentrische Planetentheorie, wobei er die klassische Vorstellung von Kreisbahnen beibehielt und deshalb nicht ohne zahlreiche Epizykel auskam. Erst J. Kepler bewies etwa 100 Jahre später bei der Auswertung der Beobachtungen von T. Brahe mit den von ihm gefundenen Gesetzen der Planetenbewegung (keplersche Gesetze), dass sich die Planeten auf Ellipsenbahnen bewegen, woraus sich eine Erklärung der beobachteten ungleichförmigen Bewegung ergab. Endgültig anerkannt wurde das kopernikanische Weltbild aber erst, nachdem I. Newton das Gravitationsgesetz (Gravitation) formuliert hatte und damit eine theoretische Grundlage zur Berechnung der Planetenbewegung gegeben war. Die Erfindung des Fernrohres um 1608 erweiterte die Beobachtungsmöglichkeiten der Astronomie gewaltig. So erkannte bereits G. Galilei die erdähnliche Natur der Planeten und des Mondes und beobachtete die vier großen Satelliten des Jupiter (etwa gleichzeitig mit S. Marius, eigentlich Mayr) sowie die Sonnenflecken (etwa gleichzeitig mit J. Fabricius und C. Scheiner).

 

18. und 19. Jahrhundert:

 

Beim Versuch, einen direkten Beweis für die Bewegung der Erde um die Sonne zu finden, entdeckte E. Halley die Eigenbewegung der Sterne, erkannte J. Bradley die Aberration des Lichtes und fand F. W. Herschel die Pekuliarbewegung der Sonne. Ihm gelang 1781 die Entdeckung des Uranus, des ersten Planeten, der nicht schon im Altertum bekannt war; am 1. 1. 1801 entdeckte G. Piazzi den ersten Planetoiden, Ceres. F. W. Herschel versuchte auch durch Sternzählungen in ausgewählten Himmelsfeldern eine Vorstellung von der räumlichen Sternverteilung zu gewinnen, doch erst F. W. Bessel gelang 1838 die Bestimmung einer Sternparallaxe (Parallaxe), etwa gleichzeitig mit F. G. W. Struve und dem schottischen Astronomen Thomas Henderson (* 1798, ✝ 1844). Mitte des 19. Jahrhunderts erlebte die Himmelsmechanik einen ihrer größten Triumphe durch die Entdeckung eines neuen Planeten, Neptun, dessen Ort am Himmel rechnerisch durch U. J. Le Verrier bestimmt wurde und danach am vorausberechneten Ort von J. G. Galle unter Mithilfe von H. L. d'Arrest gefunden wurde.

 

19. Jahrhundert:

 

Im 19. Jahrhundert begann man, die Sterne als physikalische Körper anzusehen, was zum Entstehen der Astrophysik führte, zu deren Entwicklung spektroskopische und fotografische Beobachtungsmethoden wesentlich beitrugen. Beim Vergleich des von J. Fraunhofer untersuchten Sonnenspektrums mit Spektren irdischer Stoffe erkannten G. R. Kirchhoff und R. W. Bunsen, dass das Sonnenlicht von bekannten Elementen im gasförmigen Zustand stammt. Am Ende des Jahrhunderts war ein Großteil der solaren Linien identifiziert; dabei wurde auch ein bis dahin unbekannes Element, Helium, nachgewiesen. Sternhelligkeiten wurden bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts allein durch visuelle Beobachtungen bestimmt. Die Entwicklung der fotografischen Photometrie, die Einführung lichtelektrischer Methoden durch P. Guthnick (1913) und schließlich die Anwendung lichtelektrischer Detektoren in Verbindung mit moderner Elektronik und Rechentechnik etwa seit der Mitte des 20. Jahrhunderts brachten jeweils wesentliche Genauigkeitssteigerungen in der astronomischen Photometrie. Die erreichte Güte der Sternspektren ermöglichten um 1890 H. K. Vogel und Julius Scheiner (* 1858, ✝ 1913) die Messung von Radialgeschwindigkeiten von Sternen unter Ausnutzung des Doppler-Effekts, was zum Verständnis der inneren Struktur und der Bewegungsverhältnisse des Milchstraßensystems bedeutungsvoll war.

 

20. Jahrhundert:

 

Etwa mit Beginn des 20. Jahrhunderts begann man, die Sterne als physikalische Körper auch theoretisch zu beschreiben. V. a. die Untersuchungen von R. Emden und K. Schwarzschild, später von A. S. Eddington trugen wesentlich zur Kenntnis über den inneren Aufbau der Sterne bei. 1938 zeigten H. A. Bethe und C. F. von Weizsäcker, dass kernphysikalische Prozesse für die Energiefreisetzung im Sterninnern und damit auch für deren Entwicklung eine entscheidende Rolle spielen. 1931 konnte S. Chandrasekhar aufgrund theoretischer Untersuchungen die innere Struktur Weißer Zwerge aufklären. 1934 postulierten F. Zwicky und W. Baade die Existenz von Neutronensternen, von denen die ersten 1967 von A. Hewish und S. J. Bell als Pulsare gefunden wurden.

 

Die astrophysikalische Untersuchung der interstellaren Materie begann mit der Entdeckung interstellarer Absorptionslinien in Sternspektren 1904 durch J. F. Hartmann. Die theoretischen Untersuchungen leuchtender galaktischer Nebel durch A. S. Eddington um 1925 trugen wesentlich zu deren Verständnis bei. C. Schalénentdeckte 1929, dass außer in den großen Dunkelwolken der interstellare Staub weiträumig verteilt ist und eine allgemeine interstellare Extinktion verursacht.

 

Die Radioastronomie begann 1932 mit der Entdeckung einer galaktischen Radiofrequenzstrahlung durch K. G. Jansky. 1942 wurde die Sonne als Radioquelle nachgewiesen. 1944 sagte H. C. van de Hulst theoretisch die 21-cm-Linienstrahlung (Einundzwanzig-Zentimeter-Linie) des neutralen interstellaren Wasserstoffs voraus, die 1951 entdeckt wurde. 1963 konnte erstmals ein interstellares Molekül, Kohlenmonoxid, radioastronomisch nachgewiesen werden, gegenwärtig sind mehr als 110 derartige Moleküle bekannt. Radioastronomische Untersuchungen führten auch zur Entdeckung bisher unbekannter Objekte: 1962 zur Entdeckung der Quasare, 1967 zu der der Pulsare. Die Erschließung der Bereiche der elektromagnetischen Strahlung, die für erdgebundene Teleskope unzugänglich sind, wie der Gamma-, Röntgen- und Submillimeterbereich, wurde durch die Verwendung hochfliegender Flugzeuge, Ballone und Raketen, v. a. aber durch Satelliten und Raumsonden ermöglicht. Mit Raumsonden konnten auch direkte Untersuchungen an Körpern des Planetensystems, wie Mond, Venus, Mars sowie Kometen und Planetoiden vorgenommen werden, was bis dahin der Astronomie verwehrt war. Wesentlich für die astrophysikalische Forschung waren u. a. der Röntgensatellit ROSAT, der Satellit COBE zur Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung (Drei-Kelvin-Strahlung) sowie der astrometrische Satellit Hipparcos. Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit 1990 in Betrieb, die Raumsonde SOHO zur Untersuchung der Sonne seit 1995.

 

Mit dem Bau großer Spiegelteleskope (z. B. 2,5-m-Spiegel auf dem Mount Wilson, 1924, 5,08-m-Spiegel auf Mount Palomar, 1949) wurde die Untersuchung der inneren Struktur extragalaktischer Sternsysteme möglich. So konnte E. Hubble in den Randbezirken des Andromedanebels Einzelsterne nachweisen und 1923 erstmals Entfernung extragalaktischer Sternsysteme angeben. Den Zusammenhang zwischen der systematischen Rotverschiebung und der Entfernung der Galaxien fanden 1924 Karl Wilhelm Wirtz (* 1876, ✝1939) und 1929 E. Hubble. Um 1922 war A. Friedmann auf der Basis der allgemeinen Relativitätstheorie von A. Einstein zu theoretischen Weltmodellen gelangt, die eine zeitliche Veränderung des Weltalls, speziell auch eine Expansion, forderten; die Beobachtungen von Wirtz und Hubble bestätigten die Expansion (Hubble-Effekt, Kosmologie). G. Gamow zeigte um 1948, dass in einem expandierenden Kosmos eine aus dessen Frühphase stammende Strahlung vorhanden sein müsse. Diese wurde als Drei-Kelvin-Strahlung 1965 von A. Penzias und R. W. Wilson nachgewiesen. 1981 zeigte der amerikanische Physiker Alan H. Guth (* 1947), dass in der allerfrühesten Phase des Weltalls kurzzeitig eine inflatorische Expansion erfolgte. Eine wesentliche Entdeckung gelang 1992 mit dem Nachweis des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems (Exoplanet), gegenwärtig sind mehr als 40 derartiger Planeten bekannt.

 

Literatur:

 

J. Herrmann: Großes Lex. der A. (⁴1986);

 

Cambridge-Enzykl. der A., hg. v. S. Mitton (a. d. Engl., Neuausg. 1989);

 

Hb. für Sternfreunde, hg. v. G. D. Roth, 2 Bde. (⁴1989);

 A. Weigert u. H. J. Wendker: A. u. Astrophysik. Ein Grundkurs (²1989);

 J. Herrmann: A. (Neuausg. 1990);

 H. R. Henkel: A. (Thun ⁴1991);

 A. Unsöld u. B. Baschek: Der neue Kosmos (⁵1991);

 H.-H. Voigt: Abriß der A. (⁵1991);

 J. Herrmann: dtv-Atlas zur A. (¹¹1993);

 

Meyers Hb. Weltall, bearb. v. K. Schaifers u. G. Traving (⁷1994);

 H. Zimmermann u. A. Weigert: ABC-Lex. A. (⁸1995);

 A. Guth: Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts (1997);

 V. Bialas: Vom Himmelsmythos zum Weltgesetz. Eine Kulturgesch. der A. (Wien 1998);

 J. Hamel: Gesch. der A.. Von den Anfängen bis zur Gegenwart (Basel 1998);

 J. Teichmann: Wandel des Weltbildes. A., Physik u. Meßtechnik in der Kulturgesch. (⁴1999);

 H.-U. Keller: Astrowissen. Zahlen - Daten - Fakten (Neuausgabe 2000).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Weltall: Weltbilder im Zeitenwandel

 

Entfernungsbestimmung in der Astronomie

 

Astronomie: Hierarchische Ordnung des Kosmos

 

Sterne: Verteilung und Zustandsgrößen

 

Sterne: Aufbau und Entwicklung

 

chemische Elemente: Entstehung

 

Sterne: Entstehung

 

Sonne: Ihr Lebensweg vom Protostern zum Weißen Zwerg

 

Milchstraßensystem: Unsere Galaxis

 

extragalaktische Sternsysteme: Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen

 

Kosmologie und Weltmodelle

 

kosmischer Materiekreislauf und Evolution der Materie

 

Mensch: Das kopernikanische Prinzip - Folgerungen für unser Welt- und Menschenbild

 

Weltraum: Ein einzigartiger Forschungsstandort

 

babylonisch-assyrische Wissenschaft: Im Zeichen der Sterne