Dies ist die Milchstraße vom Concordia-Lager in Pakistans Karakorum. Rechts ist der Mitre Peak und ganz links der Beginn des Broad Peak. Foto von Anne Dirkse von http://www.annedirkse.com unter einer Lizenz von c.c.-by-s.a.-4.0.

Wie weit sind die Sterne entfernt?

Wissenschaftler wissen es immer noch nicht, aber die Antwort könnte den Schlüssel für das expandierende, sich beschleunigende Universum enthalten.

"Kratz einen Zyniker und du wirst einen enttäuschten Idealisten finden." -Jon F. Merz

Wenn Sie zum Nachthimmel aufblicken und die glitzernden Sterne über Ihnen sehen, könnte Ihr erster Gedanke sein, sich zu fragen, was genau sie sind. Wenn Sie jedoch wissen, dass es sich um weit entfernte Sonnen handelt, die unterschiedliche Massen, Helligkeiten, Temperaturen und Farben aufweisen, sollten Sie sich als Nächstes fragen, wie weit sie entfernt sind. Es könnte Sie überraschen, zu erfahren, dass wir trotz jahrhundertelanger Fortschritte in der Astronomie und Astrophysik, von Teleskopen über Kameras und CCDs bis hin zu Observatorien im Weltraum, immer noch keine zufriedenstellende Antwort haben. Wenn Sie bedenken, dass ein Großteil unseres heutigen Verständnisses des Universums - wie es geboren wurde, wie es entstanden ist und woraus es besteht - auf den Abständen zu den Sternen beruht, zeigt es, wie wichtig dieses Problem ist .

Sterne, die in der gleichen Entfernung zu sein scheinen, wie die im Sternbild Orion, können tatsächlich viele Hunderte oder sogar Tausende von Lichtjahren mehr oder weniger weit voneinander entfernt sein. Bildnachweis: La bitacora de Galileo, über http://www.bitacoradegalileo.com/2010/02/07/orion-la-catedral-del-cielo/.

Wenn Sie wissen möchten, wie schnell sich das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt ausdehnt, müssen Sie wissen, wie schnell sich die entfernten Galaxien von uns entfernen und wie weit sie entfernt sind. Das Messen der Rezessionsgeschwindigkeit einer Galaxie ist einfach - messen Sie einfach die Rotverschiebung und Sie sind fertig - aber Entfernungen sind eine schwierige Sache. Es muss eine Beziehung zwischen einer Größe, die Sie messen können, wie der beobachteten Helligkeit, der Winkelgröße, der Periodizität eines bestimmten Signals usw. und etwas bestehen, das Ihnen die intrinsische Helligkeit oder Größe eines Objekts anzeigt. Sie können dann die Entfernung berechnen. So finden wir eine ganze Reihe von Eigenschaften des Universums heraus, darunter:

  • wie schnell es heute expandiert,
  • wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat,
  • und was macht das Universum aus, einschließlich Materie, Strahlung und dunkler Energie.
Der Aufbau der kosmischen Entfernungsleiter beinhaltet den Übergang von unserem Sonnensystem zu den Sternen zu nahe gelegenen Galaxien zu fernen. Jeder

All dieses Wissen erfordert jedoch einen Ausgangspunkt für die Messung kosmischer Entfernungen. Alle unsere Messmethoden setzen voraus, dass wir wissen, wie diese Objekte in der Nähe funktionieren: Sie alle erfordern ein Verständnis der näheren Stern- oder Galaxientypen, die wir auch in großen Entfernungen finden. Unabhängig davon, wie Sie vorgehen, müssen wir zunächst mit einem wichtigen Schritt beginnen. Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der keine Annahmen erforderlich sind, um die Abstände zu den nächsten Sternen zu messen. Wir kennen nur einen, und wir kennen ihn schon vor Galileo.

Bei der seit dem 19. Jahrhundert angewandten Parallaxenmethode wird die scheinbare Änderung der Position eines nahegelegenen Sterns im Verhältnis zu den weiter entfernten im Hintergrund befindlichen gemessen. Bildnachweis: ESA / ATG Medialab.

Es ist die Idee der Parallaxe, die eine rein geometrische Methode ist, um die Abstände zu den Sternen zu messen. Unabhängig davon, welche Art von Stern Sie haben, wie hell er ist oder wie er sich durch den Raum bewegt, ist die Messung der Parallaxe genau dieselbe.

  1. Messen Sie den Stern, den Sie heute beobachten möchten, von Ihrem Standort aus an seiner aktuellen Position relativ zu den anderen Objekten am Himmel.
  2. Messen Sie den Stern von einer anderen Position im Raum aus und beobachten Sie, wie sich die scheinbare Position des Sterns im Verhältnis zu den anderen identifizierbaren Lichtpunkten zu ändern scheint.
  3. Verwenden Sie eine einfache Geometrie, um den Abstand zum Stern zu bestimmen, indem Sie den Unterschied zwischen Ihrer Position und den ersten beiden Messungen und die scheinbare Winkeländerung kennen.

Wir verwenden diese Methode seit Mitte des 19. Jahrhunderts, um die Abstände zu den nächsten Sternen zu messen, einschließlich Alpha Centauri, Vega und 61 Cygni. Dies ist der erste Stern, dessen Parallaxe bereits 1838 gemessen wurde.

61 Cygni war der erste Stern, dessen Parallaxe gemessen wurde, ist aber aufgrund seiner großen Eigenbewegung auch ein schwieriger Fall. Diese beiden Bilder, die in Rot und Blau gestapelt und fast genau ein Jahr voneinander entfernt aufgenommen wurden, zeigen die fantastische Geschwindigkeit dieses Doppelsternsystems. Bildnachweis: Lorenzo2 aus den Foren unter http://forum.astrofili.org/viewtopic.php?f=4&t=27548.

So einfach diese Methode auch ist, sie hat ihre eigenen Mängel. Für den Anfang sind diese Winkel immer sehr klein: ungefähr 1 Bogensekunde (oder 1/3600 Grad) für einen Stern, der 3,26 Lichtjahre entfernt ist. Zum Vergleich: Unser nächster Stern, Proxima Centauri, ist 4,24 Lichtjahre entfernt und hat eine Parallaxe von nur 0,77 Bogensekunden. Sterne, die weiter entfernt sind als vielleicht ein oder zweihundert Lichtjahre, können ihre Parallaxen überhaupt nicht vom Boden aus messen, da die atmosphärischen Turbulenzen zu stark zu Unsicherheiten beitragen. 1989 versuchte die Europäische Weltraumorganisation, all diese Schwierigkeiten zu überwinden, indem sie den Hipparcos-Satelliten startete, der - vom Weltraum aus - Präzisionen mit einer Genauigkeit von nur 0,001 Bogensekunden messen konnte.

Test des Hipparcos-Satelliten im Large Solar Simulator, ESTEC, Februar 1988. Bildnachweis: Michael Perryman.

Im Idealfall hätten wir dadurch genaue Parallaxen für Sterne erhalten können, die bis zu 1.600 Lichtjahre entfernt sind: insgesamt etwa 100.000 Sterne. Die hellsten und nächsten Sterne könnten Entfernungen mit einer Genauigkeit von über 1% messen, was dann bedeuten würde, dass wir Dinge wie die Ausdehnung des Universums während seiner gesamten Geschichte auch auf dieses Präzisionsniveau messen könnten. Dies wurde jedoch durch eine Reihe von Schwierigkeiten verhindert.

  • Die Erde bewegt sich nicht nur das ganze Jahr über. Die Sonne bewegt sich auch durch die Galaxie.
  • Da Parallaxenmessungen nicht gleichzeitig stattfinden, bewegen sich auch andere Sterne relativ zum Erde-Sonne-System.
  • Die weiter entfernten Sterne sind nicht „fixiert“ am Himmel, sondern zeigen auch relative Bewegungen. Alle Sterne haben ihre eigene Parallaxe, abhängig von ihrer Entfernung.
  • Der Einfluss von Gravitationskörpern in unserem Sonnensystem und in der gesamten Galaxie kann aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie zu kleinen Ablenkungen des Sternenlichts führen.

Wenn Sie all diese Unsicherheiten berücksichtigen, haben wir mit Unsicherheiten in Positionen gerechnet, die viel größer als 1% waren. Wenn Sie erwarteten, dass sich die Position eines bekannten hellen Sterns in der Nähe auf dieselbe Weise ändert, wie sich die Position Ihres Daumens auf Armlänge geändert hat, als Sie das Auge gewechselt haben, mit dem Sie ihn angesehen haben, wären die tatsächlichen Daten ein unhöfliches Erwachen für dich.

Die „echte“ Bewegung von Vega, nur 26 Lichtjahre entfernt, aus drei Jahren Hipparcos-Daten. Bildnachweis: Michael Richmond von RIT, unter einer Creative-Commons-Lizenz, über http://spiff.rit.edu/classes/phys301/lectures/parallax/parallax.html.

Über einen Zeitraum von drei Jahren hat Hipparcos uns viel über die Bewegung von Sternen in unserer Milchstraße beigebracht, die eine Kombination aus Parallaxe und einer Reihe wahrer Eigenbewegungen darstellt. Die Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden, besteht darin, die Sterne fortlaufend zu messen, während sich die Erde um die Sonne und die Sonne durch den Weltraum bewegt. Dabei handelt es sich um klar identifizierte, helle, entfernte „Referenzsterne“, die keine erkennbare Parallaxe aufweisen. Wenn Sie von der Gaia-Mission der ESA erfahren haben, versuchen Sie genau dies. Mit viel größerer Genauigkeit und Präzision als Hipparcos führt Gaia eine All-Sky-Vermessung der Galaxie durch, um die Positionen und Bewegungen von etwa 1 Milliarde Sternen in der Milchstraße zu messen.

Eine Karte der Sternendichte in der Milchstraße und am umgebenden Himmel, die die Milchstraße, große und kleine Magellanschen Wolken und, wenn Sie genauer hinschauen, NGC 104 links von der SMC und NGC 6205 leicht oberhalb und links von deutlich zeigt der galaktische Kern und NGC 7078 etwas darunter. Bildnachweis: ESA / GAIA.

Für Hunderte von Millionen dieser Sterne sollten Parallaxen mit einer Genauigkeit von höchstens 10 µas (0,00001 Bogensekunden) verfügbar sein. Wir sollten in der Lage sein, für alle Hipparcos-Sterne eine Präzision von deutlich über 1% zu erzielen und schließlich hervorragende Parallaxenmessungen für die nächsten variablen Cepheid-Sterne zu erhalten: Polaris und Delta Cephei. Wenn wir die Entfernungen zu dieser Art von variablem Stern in unserer eigenen Galaxie verstehen können, sollten wir in der Lage sein, unsere Messungen der kosmischen Entfernungsleiter viel besser einzuschränken und daher besser zu verstehen, wie sich das Universum über seine Geschichte ausgedehnt hat und was es ausmacht oben.

Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech, von der (symbolischen) kosmischen Entfernungsleiter.

Es ist ein kühner, ehrgeiziger Plan, und nach Hunderten von Jahren der Unsicherheit in Bezug auf die Entfernungen zu den Sternen werden wir endlich die Antwort haben. Bis zum Jahr 2020, wenn Gaias Datenkatalog vollständig ist, sollten wir wissen, ob unsere verschiedenen Methoden zur Messung extragalaktischer Entfernungen Fehler oder Spannungen aufweisen oder ob alle Teile zusammenpassen. Wir wissen vielleicht nicht genau, wie weit die Sterne heute entfernt sind, aber dank unserer größten Weltraumobservatorien werden wir es endlich herausfinden!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!