Entfernung von Galaxien durch das Licht bestimmen

Die Entfernung von weit entfernten Galaxien wird bekanntlich gemessen, wie „alt“ das Licht ist, das uns von diesen Galaxien erreicht. Aber wir kann man das Alter des Lichtes bestimmen? Wie kann man am Licht sehen, wie weit eine Galaxie entfernt ist? Altert Licht, oder steckt da etwas anderes dahinter?

Licht altert nicht und Licht verliert auch nicht an Energie!

Aber es gibt trotzdem einen einfachen Weg festzustellen, wieviele Jahre das Licht eines Sterns oder einer Galaxie schon auf dem Buckel hat:

Die Rotverschiebung

Licht hat neben dem Teilchencharakter auch einen Wellencharakter. Den kann man sich wie Schallwellen vorstellen. Stellen wir uns einen Krankenwagen vor, der mit Tatü-Tata auf uns zugefahren kommt. Während er auf uns zufährt, wird der Ton des Martinshorns höher, sobald er aber an uns vorbeigefahren ist, wird der Ton auf einmal tiefer. Das ist der sogenannte Doppler-Effekt. Wenn sich das Fahrzeug auf uns zubewegt, wird die Frequenz höher. Der Abstand der einzelnen Schallwellen wird kürzer. Entfernt sich das Auto, wird die Frequenz tiefer, der Abstand der einzelnen Wellen wird größer.

Genauso ist es mit dem Licht. Wir wissen ja mittlerweile, dass sich das Universum ausdehnt und zwar gleichmäßig. Alle Galaxien entfernen sich voneinander wie die Rosinen in einem Hefeteig im Backofen. Nahe Galaxien entfernen sich langsam und je weiter eine Galaxie weg ist, desto schneller entfernt sie sich auch von uns. Das ist die Inflationstheorie, erstmals von Hubble erkannt.

Wenn sich nun das Licht durch den sich ausdehnenden Raum bewegt, dehnen sich die Lichtwellen zusammen mit dem Raum aus. Der Abstand der einzelnen Wellen wird größer. Dadurch verschiebt sich die Farbe des Licht ins Rote (der Ton wird tiefer). Und je länger das Licht nun unterwegs ist, desto mehr verschiebt es sich ins Rote. Man kann also die Entfernung der Lichtquelle anhand der Rotverschiebung ermitteln.

Aber woher weiß man nun, welche Farbe ein Stern hat um zu wissen, wieviel er ins Rote verschoben ist? Es gibt sogenannte Spektrallinien. Licht hat bekanntlich verschiedene Wellenlängen. Im sichtbaren bereich von etwa 300 nm (violett bis ultraviolett) bis ca. 700 nm (rot bis infrarot). Die einzelnen chemischen Elemente wie Wasserstoff z.B. leuchten nur bei bestimmten Wellenlängen. Und diese Linien in diesem Farbspektrum sind wie ein Fingerabdruck für ein Element. Wasserstoff hat z.B. ca. 5 dünne Linien im blauen Bereich des Lichtes (davon eine sehr kräftig) und 1 rote, kräftige Linie im sichtbaren Licht. Diese Linien haben immer die selbe Breite und den selben Abstand zueinander. Man braucht also nur im Licht der Galaxien nach eben z.B. jenen Spektrallinien des Wasserstoffs (oder eines anderen geeigneten Elements) suchen (z.B. Anhand des Abstandes) und vergleicht dann um wieviel die einzelnen Linien in den langwelligeren Bereich verschoben sind.

Über diesen Wert kann man dann errechnen, wie lange das Licht nun unterwegs war.

Unser Universum war die ersten ca. 400.000 Jahre dunkel. Da gab es kein Licht. Das älteste Licht, das wir also sehen können, ist etwa 13,3 Milliarden Jahre alt.

Entfernungen von nahen Galaxien misst man jedoch anders, z.B. mit sogenannten Standardkerzen (das sind Sterne, deren genaue Helligkeit man aufgrund von gesetzmäßigkeiten kennt). Ebenfalls kann man sehr nahegelegene Sterne auch über die Parallaxenverschiebung messen. Dazu komme ich aber ein anderes mal.

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