Neil F. Comins - · PDF fileBuchs] ist besonders auf die Probleme gerichtet, de-nen sich...

Neil F. Comins

Astronomie

Eine Entdeckungsreise zu Sternen, Galaxien und was sonst noch im Kosmos ist

Aus dem Amerikanischen übersetzt von

Michael Basler, Anna Schleitzer und Michael Zillgitt

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Titel der Originalausgabe: Discovering the Essential Universe. Fourth Edition

Die amerikanische Originalausgabe ist erschienen in den Vereinigten Staaten bei W.H. Freeman and Company,New York.Copyright © 2009 W.H. Freeman and Company. Alle Rechte vorbehalten.

First published in the United States by W.H. Freeman and Company, New York.Copyright © 2009 by W.H. Freeman and Company. All rights reserved.

Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Basler, Anna Schleitzer und Michael Zillgitt.

Wichtiger Hinweis für den BenutzerDer Verlag und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen indiesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oderirgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funk-tion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren,Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An-nahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachtenwären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhabervon Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft ge-führt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt.

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© Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer

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Planung und Lektorat: Katharina Neuser-von Oettingen, Stefanie AdamRedaktion: Regine ZimmerschiedBeratung: Stephan Fichtner, HeidelbergSatz: TypoDesign Hecker, LeimenUmschlaggestaltung: wsp design Werbeagentur GmbH, HeidelbergTitelfotografie: © Spectral-Design, Fotolia.comZeichnungen: Imagineering Media Services

ISBN 978-3-8274-2498-3

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Kometen 253

Die Sonne, unser besonderer, ganz gewöhnlicher Stern 277

Die Atmosphäre der Sonne 279Die aktive Sonne 283Das Innere der Sonne 293

Sterne und ihre Eigenschaften 301

Helligkeitsskalen 304Die Temperaturen von Sternen 307Die Massen von Sternen 315Scientific American-Beitrag:Ein Roter Stern wird zum Star 325

Das Leben der Sterne – von derGeburt bis ins mittlere Alter 327

Hauptreihensterne und Riesen 342Veränderliche Sterne 349

Wie Sterne sterben 361

Neutronensterne und Pulsare 378Schwarze Löcher 389Hinweise auf Schwarze Löcher 399

Die Galaxien 411

Was ist unsere Galaxis? 412Der Aufbau unserer Galaxis 415Rätsel am Rand der Galaxis 426Galaxien 427Die Hubble’schen Galaxientypen 427Galaxienhaufen und Superhaufen 439Superhaufen in Bewegung 448Quasare 453Andere aktive Galaxien 458Supermassive Motoren 461

Kosmologie 473

Der Urknall 474Eine kurze Geschichte der Raumzeit,der Materie, der Energie und von allem 480

12

11

10

9

8

7

Erkunden des Nachthimmels 1

Größenordnungen im Universum 2Muster von Sternen 5Einige Zyklusdauern bei der Erde 10Finsternisse 23

Gravitation und

Planetenbewegung 31

Die Naturwissenschaften:Der Schlüssel zum Verstehen 32Vergleichende Planetologie 60Planeten außerhalb unseres Sonnen-systems 64

Licht und Teleskope 75

Die Natur des Lichts 76Optiken und Teleskope 84Nichtoptische Astronomie 100Die Schwarzkörperstrahlung 109Atome und ihre Spektren 118

Erde und Mond 133

Der Erdmond und die Gezeiten 146

Die anderen Planeten und ihre Monde 163

Merkur 164Venus 170Mars 177Die äußeren Planeten 195Jupiter 195Monde und Ringe des Jupiter 203Saturn 212Uranus 222Neptun 226Scientific American-Beitrag:Säuretropfen 238

Vagabunden des Sonnensystems 241

Zwergplaneten 243Kleinkörper des Sonnensystems 247

6

5

4

3

2

1

Inhalt

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VI Inhalt

Das Schicksal des Universums 493

Astrobiologie 503

Scientific American-Beitrag: Warum sich ET noch nicht gemeldet hat 517

Anhang 519

A Die Zehnerpotenzschreibweise 519B Temperaturskalen 520C Datentabellen 521D Grafische Darstellungen 533E Periodensystem der chemischen

Elemente 536F Wie Pluto vom Planeten

zum Zwergplaneten wurde 537G1 Das geozentrische Universum 541G2 Die Gezeiten 543G3 Das expandierende Universum 545

13

H1 Astronomische Entfernungs-einheiten 546

H2 Energie und Impuls 547H3 Altersbestimmung mittels

Radioaktivität 549H4 Die Kernfusion 550H5 Die Entfernungen zu den

nächstgelegenen Sternen 552H6 Die Entfernungs-Helligkeits-

Beziehung 553H7 Die Gravitationskraft

(Schwerkraft) 554

Antworten auf Fragen und Lösungen zu Rechenaufgaben in den Kapiteln 555

Begriffserklärungen 560

Index 581

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aber entsprechend den Lehrplänen im deutschsprachigenRaum in mathematischer Sprache angegeben haben – daes sich um sehr elementare Formeln aus dem Schulstoffhandelt, die sich aus dem Lehrbuch sehr leicht erschließenlassen.

Weiterhin haben wir das Glossar für die deutsche Le-serschaft redaktionell überarbeitet und Begriffsdefiniti-onen so formuliert, dass sie über den speziellen Kontextdieses Buches hinaus verwendbar sind. Dabei haben wiruns an verschiedenen Lexika und Glossaren orientiertund bemüht, uns vor eklatant falschen Definitionen zuhüten. Wir danken Stephan Fichtner für seine sorgsameLektüre und Beratung bei der Abfassung des Glossars,aber für eventuelle Fehler in der Endfassung träge ich alsverantwortliche Lektorin die alleinige Verantwortung –ich würde mich über Rückmeldungen solcher Fehler freu-en, um in einer Errata-Liste diese Fehler richtigzustellenund mich auf diese Weise aktiv entschuldigen zu können.

Die größte Abweichung im Text betrifft den Bezug zuPlanetariumsprogrammen. Bei Abbildungen und am En-de der Kapitel haben wir die Bezüge zu den in Amerikaverbreiteten Programmen Starry Night Enthusiast™ undWorld Wide Telescope aufgegeben und die Installationsan-leitungen zu diesen Programmen gestrichen. Für die ers-ten sechs Kapitel haben wir ersatzweise einige Bewe-gungsanimationen auf unsere Website zum Buch gestellt,die Redshift für diesen Zweck programmiert und alsHimmelsführungen zum Herunterladen zur Verfügunggestellt hat.

Ihr Redaktionsteam

Mit dieser Einführung in die Astronomie liegt nun einamerikanischer Lehrbuchklassiker in deutscher Sprachevor, der für amerikanische Studierende gedacht ist, dieohne mathematisches oder physikalisches Grundwisseneinen naturwissenschaftlichen Pflichtkurs absolvierenmüssen. Der Stoff wird durchgängig in einer für Physikerungewohnten nichtmathematischen Sprache anhand vonastronomischen Aufnahmen und theoretischen Konzep-ten vorgestellt, die durch Zeichnungen und anschaulicheBeschreibungen verständlich und auf die wesentlichenAussagen fokussiert dargestellt werden.

Der didaktische Ansatz, den Stoff nicht über mathe-matisch hergeleitete Formeln zu erschließen, macht diesesBuch nicht nur für astronomieinteressierte Physikstudie-rende interessant, die über die Zusammenhänge hinterden Formeln nachdenken möchten, sondern auch fürHobbyastronomen, die über ihr Faible für Sterne und Ga-laxien hinaus in die Grundlagen der modernen Astrono-mie einsteigen möchten. Lehrer finden hier viele Anhalts-punkte, wie sie physikalische Zusammenhänge didaktischso einfach wie möglich darstellen können, ohne die Gren-ze zum vereinfachenden Verzerren zu verletzen. UndSchüler der Sekundarstufe bietet sich mit diesem Buch dieMöglichkeit, schon einmal in ein Astronomie-Studiumhineinzuschnuppern. Insofern unterstützt es die Initiati-ven, Astronomie an die Schulen zu bringen.

Bei der Herausgabe des Buches haben wir – das Re-daktionsteam der Übersetzer und Lektorinnen – uns andie amerikanische Vorlage gehalten, mit wenigen Abwei-chungen. Die erste betrifft die mathematischen Formeln,die im Original nur in Worten formuliert sind, die wir

Vorwort zur deutschen Übersetzung

Himmelsführungen im kostenlosen Redshift-

Planetarium zu diesem Buch:

Himmelsführung zu Kapitel 1:

Jahreszeiten – wie kommen sie zustande?Die Bewegungen der Erde um die Sonne, die Neigung der Erdachse ge-gen die Erdbahnebene (Ekliptik) und die jahreszeitlichen Schwankun-gen der örtlichen Sonneneinstrahlung.


Gravitation und Planetenbewegung.Schleifenbahnen am Himmel, die Kepler’schen Gesetzen für die Pla-netenbahnen, Modellbeispiele für Bewegungen nach dem Gravita-tionsgesetz: die Phasen der Venus und die Monde des Jupiter, die Ga-lilei als Beispiele anführte, der Halley’sche Komet, Exoplaneten unddie galaktische Rotation.


Licht und TeleskopeLicht und Luftverschmutzung, Vergrößerung durch Teleskope, Beob-achten im sichtbaren Licht und in nichtsichtbaren Spektralbereichen.


Blick vom Mond auf die Erde Erdaufnahmen von Apollo 11 mit Erdphasen und Erddrehung aus derSicht der Mondastronauten.


Die größten Planeten und ihre MondeEine 3D-Reise zu den größten Planeten des Sonnensystems und ihrenMonden.


Vagabunden des SonnensystemsZwergplaneten, Asteroiden und Kometen im Sonnensystem.

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Neue Elemente rücken dasUniversum stärker in denMittelpunkt

Artikel aus der Zeitschrift ScientificAmerican

Der Autor hat diese ausgewählt, um die Kerngedan-ken zu beleuchten. Die kurzen, aktuellen und sachbe-zogenen Artikel veranschaulichen den Prozess derWissenschaft und Entdeckung und bieten zudem An-stöße für die Diskussion im Seminar.

Ein neues Kapitel über Astrobiologie

soll den Studenten eine solide Übersicht über diesenanregenden und aufregenden Bereich der Astronomiebieten, verbreitete irrige Annahmen geraderückenund die ständige Weiterentwicklung unserer wissen-schaftlichen Kenntnisse veranschaulichen.

Schwerpunktfragen

Zu wichtigen Problemkreisen sind Fragen in das Buchintegriert worden, die die Studenten anregen sollen,ihr Wissen zu dem in den vorangegangenen Abschnit-ten dargestellten Material häufig zu überprüfen undgegebenenfalls zu korrigieren, ehe sich Fehler sum-mieren. So werden die Studenten z. B., nachdem sie inAbschnitt 5.29 das Ringsystem des Uranus kennenge-lernt haben, gefragt, wodurch die Ringe auf ihrerBahn gehalten werden. Antworten zu etwa einemDrittel dieser Fragen finden Sie am Ende des Buchs.

? Wie werden die Uranusringe auf ihren Bahnengehalten?

Die vierte Auflage von Discovering the Essential Uni-verse [dem englischen Originaltitel des vorliegendenBuchs] ist besonders auf die Probleme gerichtet, de-nen sich Lehrkräfte der Astronomie wie Studenten beiamerikanischen Einfürhungskursen gegenübersehen.Das vorliegende Lehrbuch ist eines der kürzesten undknappsten einführenden Lehrbücher, die es gibt. Esberuht auf einem Lernverfahren, das den Studentenhelfen soll, falsche Auffassungen über die Astronomiezu überwinden.

Trotz seiner Kürze bleibt der Umfang im Einklangmit den meisten Einführungskursen, und Sie werdenfeststellen, dass es mindestens genauso reichhaltigeFotos des Himmels und Grafiken wie die meisten an-deren Lehrbücher für denselben Hörerkreis enthält.Gewisse unwichtige Punkte wie ausführliche mathe-matische Erläuterungen, Erweiterungskästen und einTeil des Materials am Ende der Kapitel wurden wegge-lassen. Die vierte Auflage von Discovering the Essenti-al Universe setzt die Tradition des Buchs fort, aktuelleKonzeptionen klar und präzise darzustellen und alledidaktischen Hilfsmittel bereitzustellen, um denLernprozess effizient gestalten zu können. Hierzu zäh-len:

• der Einsatz sowohl von Text als auch von Grafikenzur Darstellung von Konzeptionen, um Studentenentgegenzukommen, die auf unterschiedlicheWeise lernen;

• Studenten dabei zu helfen, ihre Erwartungen mitden Ergebnissen der modernen Wissenschaft zuvergleichen und zu verstehen, weshalb die wissen-schaftliche Ansicht richtig ist;

• die Nutzung von Analogien aus dem Alltag, umkosmische Erscheinungen besser erfassbar zu ma-chen;

• die Darstellung der Beobachtungen und dergrundlegenden physikalischen Konzepte, um as-tronomische Beobachtungen mit Theorien ver-knüpfen zu können, die sie schlüssig und sinnvolldeuten.

Aus dem Vorwortzur englischen Ausgabe

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Sternkarten

zeigen den Ort wichtiger im Text angesprochener as-tronomischer Objekte am Himmel. Die Sternkartenenthalten so viele Einzelheiten, dass der Student dieObjekte damit mit bloßem Auge oder mit einem klei-nen Fernrohr auffinden kann.

Neue Behandlung der Planeten

In der Astronomie ist ein neues Klassifizierungssche-ma für die Körper im Sonnensystem eingeführt wor-den. Diese Planeten, Zwergplaneten und Kleinkörperdes Sonnensystems zusammen mit neuen Unterklassenwie Plutoiden werden erläutert und mit der her-kömmlichen Klassifizierung in Planeten, Monde, As-teroiden, Meteoriten und Kometen verglichen. Zu-dem ist dargestellt, weshalb Pluto besser zu denZwergplaneten als zu den acht Planeten passt.

Neue lebendige Grafiken

Das Buch enthält durchgängig zusammenfassendeAbbildungen, die entweder die Wechselbeziehungenzwischen wichtigen Konzeptionen oder die Entwick-lung wichtiger Objekte zeigen. So ist der Ort der Son-ne am Himmel im Verlauf der Jahreszeiten zusammenmit der Stärke des Lichteinfalls und der entsprechen-den ausgeleuchteten Fläche am Boden in einer Abfol-ge von Zeichnungen in einer Abbildung dargestellt.

Bewährte Merkmaleunterstützen beim Lernen

Was meinen Sie? Was haben Siegedacht?

Diese Fragen werden den Studenten in jedem Kapitelvorgelegt, damit sie sich ihr gegenwärtiges Wissen vorAugen halten und angeregt werden, dieses aktiv mitden im Buch dargestellten exakten wissenschaftlichenErkenntnissen zu vergleichen. An den Stellen, an de-nen die jeweilige Problemstellung im Text erörtert ist,finden sie in der Randspalte entsprechende Ziffern.Damit sollen die Studenten angeregt werden, sich zu-nächst über die ihrer Meinung nach richtige Antwortauf die Frage Klarheit zu verschaffen. Anschließendkönnen sie sich dann schrittweise das exakte Wissenerarbeiten. Es hat sich gezeigt, dass dies ein fruchtba-res Lernverfahren ist, insbesondere dann, wenn derLehrende nicht genügend Zeit hat, den tatsächlichenSachverhalt ausgehend von falschen Annahmen di-rekt mit den Studenten zu erarbeiten.

Lernziele

heben die wichtigsten Problemkreise der Kapitel hervor.

Abschnittsüberschriften

sind kurze Sätze, die den Inhalt des jeweiligen Ab-schnitts zusammenfassen und bei der Wiederholungdes Stoffs als schneller Wegweiser durch das Kapiteldienen.

Einblicke in die Wissenschaft

Dies sind kurze Ergänzungen, die die behandeltenFragen mit dem Vorgehen in der Forschung in Bezie-hung setzen und zum kritischen Durchdenken anre-gen sollen.

Wellenlängenkästchen

bei den Fotos zeigen, ob eine Aufnahme mit Radio-wellen (R), Infrarotlicht (I), sichtbarem Licht (V),Ultraviolettstrahlung (U), Röntgenstrahlung (X) oderGammastrahlung (G) erfolgte.

Aus dem Vorwort zur englischen Ausgabe IX

a M104, eine Sa-Galaxie

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X Aus dem Vorwort zur englischen Ausgabe

Zusammenfassungen und Übungen

• Schlüsselbegriffe ist eine Aufzählung der wichtigs-ten Konzeptionen des Kapitels.

• Was haben Sie gedacht? Hier finden Sie Antwortenauf die zu Beginn jedes Kapitels unter Was meinenSie? gestellten Fragen.

• Hervorgehobene zentrale Begriffe, eingestreuteWiederholungsfragen sowie weiterführende Fra-gen sollen den Studenten beim Verständnis desMaterials in dem Kapitel unterstützen.

Medien- und Ergänzungspaket

Für Studenten

Frei zugängliche begleitende Website

Die begleitende Website www.whfreeman.com/deu4e[in englischer Sprache] enthält eine Vielzahl von Mate-rial für Studium und Wiederholung, um den Studentenbeim Verständnis zu unterstützen. Hierzu zählen:• Online Quizzing Fragen und Antworten mit un-

mittelbarer Rückkopplung, die Studenten für dieWiederholung und Vorbereitung auf die Prüfungheranziehen können. Lehrkräfte können auf dieAntworten zugreifen.

• Animations und Videos, sowohl eigene als auchsolche der NASA, sind auf bestimmte Kapitel ge-richtet.

• WebLinks bieten dem Studenten eine Fülle an On-line-Material.

Für Lehrkräfte

Die begleitende Website www.whfreeman.com/deu4eenthält außerdem passwortgeschützte Anleitungenfür Lehrkräfte. Diese umfassen:

• alle Abbildungen und Fotos aus dem Lehrbuch so-wohl im JPEG- als auch im PowerPoint-Format

• PowerPoint-Präsentationen für die Vorlesung• Antworten auf die Wiederholungsfragen im Text.

Danksagungen

Den folgenden Astronomen und Lehrkräften bin ichdankbar für die Durchsicht von Kapiteln dieser undder vorangegangenen Auflagen.

William R. Alexander, James Madison UniversityGordon Baird, University of MississippiHenry E. Bass, University of MississippiJ. David Batchelor, Community College of Southern

NevadaJill Bechtold, University of ArizonaPeter A. Becker, George Mason UniversityMichael Bennett, DeAnza CollegeJohn Bieging, University of ArizonaGreg Black, University of VirginiaJulie Bray-Ali, Mt. San Antonio CollegeJohn B. Bulman, Loyola Marymount UniversityJohn W. Burns, Mt. San Antonio CollegeAlison Byer, Widener UniversityGene Byrd, University of AlabamaEugene R. Capriotti, Michigan State UniversityMichael W. Castelaz, Pisgah Astronomical Research

Institute Gerald Cecil, University of North CarolinaDavid S. Chandler, Porterville CollegeDavid Chernoff, Cornell UniversityTom Christensen, University of Colorado, Colorado

Springs Chris Clemens, University of North CarolinaChristine Clement, University of Toronto Halden Cohn, Indiana UniversityJohn Cowan, University of Oklahoma Antoinette Cowie, University of HawaiiVolker Credé, Florida State University Charles Curry, University of Waterloo

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7 Spüren Astronauten, deren Raumstation dieErde umläuft, die Schwerkraft?

8 Gehören die Sonne und die Planeten zu denim Universum zuerst entstandenen Körpern?

9 Wie lange existiert die Erde bereits, und woherkennen wir ihr Alter?

10 Welche typische(n) Form(en) haben Monde,und was bewirkte diese Form(en)?

11 Wurden schon erdähnliche Planeten entdeckt,die sonnenähnliche Sterne umlaufen?

Die Antworten finden Sie bei der jeweiligen Ziffer imText und noch einmal zusammengefasst am Ende desKapitels.

Was meinen Sie?

1 Wodurch ist eine Theorie als wissenschaftlichgekennzeichnet?

2 Welche Form hat die Umlaufbahn der Erde umdie Sonne?

3 Umlaufen die Planeten die Sonne mitkonstanten Geschwindigkeiten?

4 Umlaufen alle Planeten die Sonne mit gleichhohen Geschwindigkeiten?

5 Welche Kraft ist aufzubringen, damit einKörper seine geradlinige Bewegung mitkonstanter Geschwindigkeit fortsetzt?

6 Wie unterscheiden sich die Messwerte derMasse ein und desselben Körpers auf der Erdeund auf dem Mond?

Kapitel 2Gravitation undPlanetenbewegung

In der Raumfahrt, beispiels-weise zum Mond, muss manbei der Planung und derDurchführung unter anderemdas Gravitationsgesetz unddie Newton’schen Axiome an-wenden, um eine sichereRückkehr zu gewährleisten.(NASA)

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32 2 Gravitation und Planetenbewegung

Die Naturwissenschaften bieten Erklärungen vonSachverhalten und Effekten, sei es in der Gegenwartoder in der Vergangenheit. Sie ermöglichten aberauch entsprechende Vorhersagen für die Zukunft.Die wissenschaftlichen Methoden sind inzwischenenorm leistungsfähig. Mit ihrer Hilfe können wirVorgänge beobachten, deuten und verstehen, ohnesie – wie zu früheren Zeiten – einfach hinnehmenoder gar fürchten zu müssen, dass sie sich auf uner-wartete Weise ändern. Die Naturwissenschaften er-möglichen eine gewisse Vereinfachung oder besserAbstraktion und nehmen uns einen Teil der Unge-wissheit, mit der die Welt uns seit jeher konfrontiert.In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit dem We-sen der Wissenschaften, insbesondere der Naturwis-senschaften. Dabei werden wir erkennen, welchenGesetzmäßigkeiten die Planeten, aber auch die un-zähligen anderen Himmelskörper unterliegen.

In diesem Kapitel geht es darum,

• wodurch eine Theorie als wissenschaftlich gekenn-zeichnet ist;

• dass im Laufe einer wissenschaftlichen „Revolu-tion“ die Erde ihre Stellung im Zentrum des Uni-versums verlor;

• welche Anschauung Kopernikus über den Umlaufder Planeten um die Sonne hatte;

• warum sich die Bewegungsrichtungen der Planetenan der Himmelskugel von Zeit zu Zeit umkehren;

• dass Kepler bei seiner Beschreibung der Planeten-bahnen auf die sorgfältigen Beobachtungen seinesMentors Tycho Brahe zurückgriff;

• dass Isaac Newton eine Gleichung aufstellte, umdie Gravitationskraft zu beschreiben, und dass ermit ihr erklärte, warum die Planeten und die Mon-de in ihren Umlaufbahnen bleiben;

• wie sich das Sonnensystem bildete;• warum die Umgebung des Sonnensystems in seiner

Frühzeit weitaus lebensfeindlicher als heute war;• wie Astronomen die verschiedenartigen Objekte

im Sonnensystem klassifizieren;• wie die Planeten angeordnet sind;• wie nahezu im gesamten Sonnensystem etliche

Monde entstanden;• woraus die Reste des frühen Sonnensystems beste-

hen;• dass Scheiben aus Gas und Staub, aber auch Plane-

ten in der Nähe von immer mehr Sternen nachge-wiesen wurden;

• dass die Entstehung neuer Sterne oder Planetensys-teme beobachtet wird.

Die Naturwissenschaften:Der Schlüssel zum Verstehen

Wenn wir die Zusammenhänge und Gesetzmäßigkei-ten verstehen, die die Natur beherrschen, dann kön-nen wir die Materie und die Energie, die unsere Um-gebung darstellen, sozusagen manipulieren und dabeiNeues hervorbringen, um Vorteile daraus zu ziehen.So führen technische Verbesserungen zu neuen Erfol-gen in der Forschung, sodass wir noch tiefere Er-kenntnisse über Raum, Zeit, Materie und Energie so-wie über deren Beziehungen zueinander gewinnenkönnen. Diese Spirale des Verstehens und der Anwen-dung begann schon vor Jahrhunderten. In diesem Ka-pitel betrachten wir zunächst, wie schon angedeutet,das Wesen der Naturwissenschaften. Dabei verstehenwir unter anderem, wie die Gravitationskraft die Pla-neten und anderen Objekte, die die Sonne umlaufen,sowie die Monde, die ihren jeweiligen Planeten um-laufen, auf ihren Bahnen hält.

2.1 Wissenschaft ist beides: Wissenund der Prozess des Erforschens

Wir können die Naturwissenschaften in zwei Aspekteaufteilen. Der erste ist eine inzwischen gewaltige An-sammlung von Wissen, das im Laufe langer Zeit beiBeobachtungen und Experimenten anfiel. Beispieledafür sind die Details der Bewegungen des Monds, derPlaneten und der Sonne an der Himmelskugel, wiewir sie in Kapitel 1 beschrieben haben. Das angesam-melte Wissen ermöglicht eine anschauliche Beschrei-bung der Gegebenheiten, wie sie in diesem Buch inden allermeisten Fällen gegeben wird. Aber mithilfedes Wissensfundus konnten und können auch mathe-matische Gleichungen aufgestellt werden, aus denenquantitative Aussagen oder Vorhersagen abzuleitensind.

Der zweite Aspekt der Naturwissenschaften bestehtdarin, dass neu hinzukommendes Wissen stets von je-dermann überprüft und ggf. allgemein akzeptiertwerden kann. Diese Vorgehensweise ist der Kern derwissenschaftlichen Methode, die in Abb. 2.1 schema-tisch skizziert ist. Im Prinzip verläuft der Erkenntnis-weg über Beobachtungen und/oder Experimente, so-dann das Erklären der Sachverhalte und schließlichdas Vorhersagen künftiger Gegebenheiten. Zwar istder „Einstieg“ in den Prozess auch an jeder anderenStelle in Abb. 2.1 möglich. Allerdings wird er – um beider Astronomie zu bleiben – meist so durchlaufen,

2


dass die Bewegungen irgendwelcher Körper (z. B. vonPlaneten) an der Himmelskugel beobachtet werdenund dass eine Erklärung dafür gesucht wird, dass dieSterne diesen Bewegungen nicht folgen. Die Ergeb-nisse späterer Beobachtungen oder Experimente müs-sen dann mit den zuvor aufgestellten Theorien ver-glichen werden. Ergeben sich dabei Widersprüche,dann muss eine Hypothese aufgestellt werden, die diebisher anerkannte Erklärung modifiziert oder ersetzt.Die Gesamtheit der Hypothesen für miteinander zu-sammenhängende Sachverhalte bezeichnet man alswissenschaftliche Theorie oder einfach Theorie.

Im Alltag verstehen wir unter einer Theorie meisteine Vorstellung, die auf logischem Denken, Intuitionoder persönlichen Überzeugungen gegründet ist. Einederartige Theorie führt natürlich weder zu Gleichun-gen, noch ermöglicht sie konkrete Vorhersagen. In derWissenschaft dagegen stellt eine Theorie eine Erklä-rung von Beobachtungen oder Versuchsergebnissendar, die quantitativ beschrieben und auch überprüftwerden können. Die mathematische Beschreibung ei-ner wissenschaftlichen Theorie bezeichnet man meistals Modell des betrachteten Systems. Beispielsweisekann die von Newton aufgestellte Theorie der Gravi-tation als Gleichung formuliert werden. Anhand sei-nes Gravitationsgesetzes können wir für jeden einzel-nen Fall vorhersagen, wie die beteiligten Körper ein-ander anziehen.

Wie bereits erwähnt, muss eine Theorie, die alswissenschaftlich gelten soll, überprüfbare Vorhersagenliefern. Das bedeutet, es muss möglich sein, sie imRahmen weiterer Beobachtungen oder Experimentezu bestätigen oder zu widerlegen. Außerdem muss beider Theorie auch deren Gültigkeitsbereich angegebenwerden, damit die Überprüfung sinnvoll ist. Gemäßdem Newton’schen Gravitationsgesetz sollten die Pla-

neten die Sonne auf Ellipsen oder Kreisen umlaufen,wofür sie umso länger brauchen, je weiter sie von ihrentfernt sind. Wie wir gleich sehen werden, konntendiese Vorhersagen in den allermeisten Fällen bestätigtwerden.

Wissenschaftler, die ein neues oder genaueres Mo-dell entwickeln, betreten natürlich Neuland. Für vielevon ihnen ist dies ein kreativer Prozess, der ebenso be-friedigend ist wie für einen Künstler das Schaffen ei-nes Meisterwerks, für einen Athleten ein neuer Welt-rekord oder für einen Astronauten eine Erdumrun-dung oder gar ein Weltraumspaziergang.

Aber die Überprüfung einer Theorie kann nichtnur die Bestätigung, sondern auch die Widerlegungzur Folge haben. Dementsprechend ist eine Theorienur dann als wissenschaftlich anzusehen, wenn sieprinzipiell auch widerlegt werden könnte. Beispiels-weise könnten ja eines Tages unwiderlegbare experi-mentelle Befunde dem Newton’schen Gravitationsge-setz widersprechen, sodass man die Theorie verbes-

Die Naturwissenschaften: Der Schlüssel zum Verstehen 332

Beobachtungen oderExperimente ausführen

Ergebnisse untersuchen

Wenn es bereits Theorien gibt, die die Ergebnisse

stützen, ist die einfachste von ihnen zu wählen; über-

prüfte Ergebnisse publizieren

Wenn es noch keine Theorie gibt, die die Ergebnisse stützt, ist eine bestehende Theorie entsprechend anzupassen oder eine neue aufzustellen

Test der Theorie im neuen Zusammenhang

konzipieren

Neue oder präzisere Versuchs- oder Beobachtungsanordnung konzipieren, um den Gültigkeits-bereich der Theorie zu erweitern

Vorhersagen aufgrund der neuen bzw. modifizierten Theorie aufstellen

Test der neuen Theorie

konzipieren

Abb. 2.1 Die wissenschaftliche

Methode. Dieses Flussdiagramm zeigtdie wesentlichen Schritte beim Entwi-ckeln und Überprüfen neuer Theorien.Jeder Forscher kann an irgendeinerStelle in den Prozess eintreten, also Be-obachtungen bzw. Experimente ausfüh-ren oder eine Theorie modifizieren bzw.eine neue aufstellen oder anhand neuerTheorien bestimmte Sachverhalte vor-hersagen. (© Neil F. Comins)

1

Die Naturwissenschaft ist weltumspannend Derwissenschaftliche Fortschritt vollzieht sich im Grunde alspraktisch weltweites Teamwork. Im Prinzip kann eine The-orie hierbei von jedermann aufgestellt, modifiziert oderüberprüft werden, der sich dazu berufen fühlt. In der Pra-xis muss er aber zumindest das nötige mathematischeRüstzeug mitbringen. Dass die Theorie in Form konkreterGleichungen zu formulieren ist, sorgt für die nötige Ein-deutigkeit. Nur wenn diese sichergestellt ist, kann die The-orie jederzeit und überall von anderen Wissenschaftlernüberprüft werden.




sern oder durch eine andere ersetzen müsste. Dagegenkann eine Behauptung wie „Die Erde wurde in sechsTagen erschaffen“ nicht überprüft werden. Dies kenn-zeichnet sie als unwissenschaftliche Theorie.

? Nennen Sie jeweils ein Beispiel für eine wissen-schaftliche und eine unwissenschaftliche Hypo-these oder Theorie.

Wenn die Vorhersagen einer Theorie mit den Beob-achtungen unvereinbar sind, dann kann sie ggf. modi-fiziert oder auf einen kleineren Gültigkeitsbereicheingeengt werden. Aber es kann auch nötig sein, sieganz zu verwerfen und eine neue Erklärung zu su-chen. Ein Beispiel bietet wiederum das Newton’scheGravitationsgesetz: Es beschreibt bestens den Fall ei-nes Apfels vom Baum, den Flug eines Geschosses oderden Umlauf der Erde um die Sonne. Doch für Vor-gänge nahe bei einem Schwarzen Loch, in dem dieMaterie extrem dicht ist, liefert es unbrauchbare Wer-te. In diesem Fall ist das Newton’sche Gravitationsge-setz durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zuersetzen, die die Merkmale der Gravitation sogar fürsolche extremen Sonderfälle beschreibt – allerdingszum Preis einer größeren mathematischen Kompli-ziertheit.

In den Naturwissenschaften ist man stets bemüht,so viele Sachverhalte wie möglich mithilfe von mög-lichst wenigen Theorien zu erklären. Wir können imUniversum im Prinzip Milliarden von Milliarden anObjekten sehen. Es ist nun ein Ding der Unmöglich-keit, sie sämtlich einzeln zu untersuchen, um jeweilseine detaillierte Beschreibung zu erhalten. Glückli-cherweise braucht man nicht jedes Mal eine einzelneTheorie, die genau das betreffende Objekt beschreibt.

Hier kommt den Forschern nämlich der Umstandzugute, dass viele der physikalischen Objekte imRaum sich sehr ähnlich verhalten. Die Objekte wer-den entsprechend klassifiziert, sodass nur für jedeKlasse oder Gruppe eine Theorie aufgestellt werdenmuss. Dann sind zahlreiche Objekte mit wenigenTheorien zu beschreiben, und diese Theorien könnenanschließend überprüft und nötigenfalls verfeinertoder verbessert werden. Solche Klassifizierungen sindeine Methode von unschätzbarem Wert, denn damitkonnten Einblicke in die Struktur und die Anord-nung von Milliarden von Sternen und Galaxien ge-wonnen werden, die einander tatsächlich sehr ähn-lich sind.

Obwohl die weitaus meisten Wissenschaftler denRegeln der wissenschaftlichen Forschung gewissen-haft folgen, gibt es etliche Experimente, deren Ausfüh-rung und/oder Auswertung fragwürdig ist. Zuweilenwurden experimentelle Fakten oder Beobachtungenignoriert, die dem Forscher nicht „in den Kram pass-ten“ oder seinen Grundüberzeugungen irgendwie zu-widerliefen. Zuweilen wurden sogar Daten gefälschtoder von anderen Forschern gestohlen. Doch prak-tisch alle diese Fälle von Irrtum oder Fehlverhaltenwurden letztlich entdeckt und aufgeklärt – eben weildie Theorien und ihre Vorhersagen gewöhnlich vonmehreren unabhängigen Forschern überprüft wer-den.

Im Grund besteht die naturwissenschaftliche Me-thode aus sechs grundlegenden Schritten: Beobach-tungen oder Experimente anstellen, eine Hypothese

2

Theorien und Glaube Neue Theorien sind individuelleSchöpfungen, aber die Naturwissenschaften sind keinpersönliches Glaubenssystem. Wie schon im vorherge-henden Kasten zur wissenschaftlichen Methode ange-merkt wurde, liefern wissenschaftliche Theorien grund-sätzlich Aussagen, die von vielen Wissenschaftlern unab-hängig voneinander überprüft werden können. Wenn jedeÜberprüfung die Theorie bestätigt, dann wird diese in ih-rem Bereich als gültig angesehen. Im Unterschied dazu istes aber beispielsweise nicht überprüfbar, welches politi-sche System das beste ist, denn hier wird es immer unter-schiedliche persönliche Überzeugungen oder Meinungengeben.


Nach Einfachheit streben Wenn mehrere konkurrie-rende Theorien die gleichen Sachverhalte mit gleicher Ge-nauigkeit beschreiben, dann wählt man stets die einfachs-te dieser Theorien – d. h. diejenige, die die wenigsten un-bewiesenen Annahmen beinhaltet. Dieser Grundsatz wur-de schon in der ersten Hälfte des 14. Jahrhunderts vondem englischen Philosophen Wilhelm von Ockham aufge-stellt. Er nannte es das Prinzip der logischen Beschrän-kung, und heute spricht man auch von Ockhams Rasier-

messer. Weil sie dieses Prinzip befolgte, war die ur-sprüngliche Form des heliozentrischen (sonnenzentrier-ten) Weltbilds, der wir uns gleich zuwenden wollen, soansprechend. Sie lieferte nämlich mit einem wesentlicheinfacheren Modell die gleichen Vorhersagen über die Pla-netenbewegungen am Himmel wie das geozentrischeWeltbild. – Denken Sie immer an Ockhams Rasiermesser.



oder Theorie aufstellen, Vorhersagen daraus ableiten,sodann die Theorie überprüfen, modifizieren odervereinfachen. Achten Sie bei der Lektüre dieses Buchsimmer wieder auf diese mehrschrittige Vorgehens-weise. Wir begegnen ihr prompt bei unserem erstenBeispiel, nämlich der Entdeckung, dass die Erde dieSonne umläuft.

Die Abkehr vom geozentrischenWeltbild

Im Altertum versuchten die griechischen Astrono-men, die Bewegungen der fünf damals bekannten Pla-neten – Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn – zuerklären. Aus den beobachteten Bewegungen derHimmelskörper folgerten sie, dass Sonne, Mond, Ster-ne und Planeten die Erde umlaufen. Also war man da-von überzeugt, dass die Erde den Mittelpunkt (dasZentrum) des Kosmos einnimmt; man hatte also eingeozentrisches Weltbild. Eine Theorie der Struktur undEntwicklung des Universums wird als Kosmologiebezeichnet. Somit hing man in der Antike weitestge-hend einer geozentrischen Kosmologie bzw. einem geo-zentrischen Weltbild an. Sie wäre nur zu widerlegen ge-wesen, wenn man die Planetenbewegungen sehr ge-nau verfolgt und aufgezeichnet hätte. Daher konntesie sich über 2000 Jahre lang halten (zu näheren Ein-zelheiten siehe Anhang G.1).

2.2 Das heliozentrische Weltbildsetzte sich nur langsam durch

Eine der großen Herausforderungen für die Astrono-men des Altertums bestand darin, die kompliziertenBewegungen der fünf Planeten zu erklären. Dabeiwurde ja vorausgesetzt, dass die Erde sich im Mittel-punkt aller Bewegungen befindet. Die Griechen derAntike wussten natürlich schon, dass sich die Positi-onen der Planeten relativ zu den (unbeweglichen)Fixsternen ständig verschieben. Daher rührt die Be-zeichnung Planeten (bzw. Wandelsterne, nach demgriechischen Wort planes = umherschweifend). Eben-falls schon im Altertum war bekannt, dass sich die Pla-neten nicht gleichmäßig schnell gegen die Sternbilderder Fixsterne verschieben. Von der Nordhalbkugel derErde aus gesehen bewegen sich die Planeten vor denHintergrundsternen im größten Teil der Zeit langsamnach links (ostwärts). Dies ist die rechtläufige Bewe-gung. Jeder Planet scheint nach einiger Zeit innezu-halten und sich danach über Wochen oder Monatehinweg in die entgegengesetzte Richtung zu verschie-ben. Dies ist die rückläufige Bewegung (relativ zu denHintergrundsternen westwärts). Sowohl die rechtläu-fige als auch die rückläufige Bewegung sind zu erken-nen, wenn man über längere Zeit die nächtlichen Po-sitionen des betreffenden Planeten vor den Hinter-grundsternen erfasst (Abb. 2.2).

Die Bewegungen der Planeten an der Himmelsku-gel relativ zu den Hintergrund- oder Fixsternen sind

Die Abkehr vom geozentrischen Weltbild 352

Osten Westen

LÖWE

1. Jan. 2010

1. Dez. 2009

1. Feb. 20101. März 2010

1. April 2010

ZWILLINGE

1. Juli 2010Ekliptik

1. Juni 20101. Mai 2010 1. Nov.

2009

1. Okt. 2009 1. Sept. 2009

KREBS

WASSERSCHLANGE

Abb. 2.2 Die Bewegung des Mars an der Himmelskugel. Von September 2009 bis zum Juni 2010 passierte der Mars dieSternbilder Zwillinge, Krebs und Löwe. Vom 23. Dezember 2009 bis 12. März 2010 vollführte er dagegen eine rückläufige Bewe-gung. Die rückläufige Schleife liegt manchmal nördlich und manchmal südlich der gewöhnlichen Bahn (siehe Abb. 2.3).



weitaus langsamer als die scheinbare tägliche Bewe-gung (Drehung) der ganzen Himmelskugel, die vonder Erdrotation herrührt. Die relativen Planetenbewe-gungen überlagern sich dabei der scheinbaren Dre-hung der Himmelskugel. Daher gehen die Planeten,wie auch die Fixsterne, immer in der östlichen Hälftedes Himmels auf und in der westlichen Hälfte unter.

? Warum ist der Planet Mars manchmal oberhalbund manchmal unterhalb der Ekliptik zu sehen?

Beim Bemühen, die Bewegungen der Planeten – ins-besondere deren rückläufige Anteile – zu erklären,wurde das Modell, das die Erde im Zentrum voraus-setzte, immer komplizierter. Doch schon im 3. Jahr-hundert v. Chr. schlug der griechische AstronomAristarch eine viel einfachere Erklärung der Planeten-bewegungen vor. Dabei nahm er an, dass sich alle Pla-neten, einschließlich der Erde, um die Sonne drehten.Die rückläufige Bewegung des Mars rührt bei diesemheliozentrischen (sonnenzentrierten) Ansatz daher,dass sich die Erde schneller bewegt und dabei den ro-ten Planeten überholt (Abb. 2.3). Die gelegentliche

rückläufige Bewegung eines Planeten rührt also vonder Veränderung unseres Standorts her, während dieErde die Sonne umläuft. Diese Vorstellung ist vonwunderbarer Einfachheit, wenn man sie mit dem geo-zentrischen System vergleicht, das ja viele komplizier-te Planetenbewegungen voraussetzt. (Streng genom-men ist der Ausdruck heliozentrisch irreführend. Zwarumlaufen unsere Planeten, deren Monde und sehrviele kleine Bruchstücke unsere Sonne, aber die Ster-ne sowie unzählige andere Objekte im Weltraum um-laufen sie nicht. Vielmehr bewegt sich das gesamteSonnensystem – mit der Sonne in der Mitte – um dasZentrum unserer Galaxis, der Milchstraße.)

Weil Einfachheit und Genauigkeit für die Wissen-schaften kennzeichnend sind, wurden die komplexengeozentrischen Modelle letztlich durch das einfachereund auch elegantere heliozentrische Modell ersetzt.Aber das Entthronen der Erde, d. h. die Vertreibungaus dem Zentrum des Kosmos, konnte nur allmählichdurchgesetzt werden. Schließlich schien es doch klarzu sein, dass sich die Erde nicht bewegt! Der von Aris-tarch schon im Altertum vorgeschlagene Ansatz, dassdie Sonne im Zentrum steht, fand daher lange Zeit

2

8

8 7

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4 3

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1

1

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658

21

9

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3. Vom Punkt 6 bis zum Punkt 9 scheint sich der Mars – von der Erde aus gesehen – vor den Hintergrund-sternen erneut nach Osten zu bewegen (rechtläufige Bewegung).

2. Wenn die Erde den Mars zwischen den Punkten 4 und 6 passiert, scheint sich der Mars – von der Erde aus gesehen – vor den Hintergrundsternen nach Osten zu bewegen (rückläufige Bewegung).

1. Vom Punkt 1 bis zum Punkt 4 scheint sich der Mars – von der Erde aus gesehen – vor den Hintergrund-sternen nach Osten zu bewegen (rechtläufige Bewegung).

WestenOsten

Sonne

Umlaufbahn der Erde

Umlaufbahn des Mars

Abb. 2.3 Eine heliozentrische Erklärung der Planetenbewegungen. Die Erde umläuft die Sonne mit höherer Geschwindigkeitund mit kürzerer Umlaufdauer als der Mars. Infolgedessen überholt die Erde ihn von Zeit zu Zeit, wobei er sich einige Monate langvor den Hintergrundsternen rückläufig zu bewegen scheint (hier zwischen den Punkten 4 und 6).


keine Anerkennung. Das lag nicht zuletzt auch an denkirchlichen Lehrmeinungen von der zentralen Stel-lung der Erde, wie auch am Bedürfnis des Menschen,sich selbst im Zentrum der Schöpfung zu sehen. Erstab dem 16. Jahrhundert erwog man erneut die Vortei-le eines heliozentrischen Weltbilds.

2.3 Kopernikus entwarf das ersteumfassende heliozentrische Weltbild

Nach und nach offenbarten die genauer gewordenenBeobachtungen der Planetenpositionen deutliche Ab-weichungen von den Berechnungen gemäß dem geo-zentrischen Modell. Daher mussten den Planeten im-mer kompliziertere Bewegungen zugeschrieben wer-den. Aber auch damit wurde um die Mitte des 16.Jahrhunderts die Vorhersage der exakten Planetenpo-sitionen immer schwieriger. In jener Zeit trat derdeutsche Astronom und Mathematiker Nikolaus Ko-pernikus auf den Plan, der außerdem als Arzt und alsKleriker wirkte (siehe Exkurs „Wegbereiter der mo-dernen Astronomie“). Bei seinem Bemühen, das Mo-dell der Planetenbewegungen zu vereinfachen, ließ erAristarchs Theorie wieder aufleben.

Kopernikus nahm also an, dass die Planeten dieSonne anstatt die Erde umlaufen. Dadurch konnte eraus den jahrhundertelang angefallenen und inzwi-schen verbesserten Ergebnissen erschließen, welchePlaneten der Sonne näher als die Erde und welcheweiter entfernt sind. Aus der Tatsache, dass Merkurund Venus nur in der Nähe der Sonne zu beobachtensind, folgerte er richtigerweise, dass ihre Umlaufbah-nen innerhalb derjenigen der Erde liegen müssen. Die

anderen zu Kopernikus’ Zeit bekannten Planeten –Mars, Jupiter und Saturn – sind zuweilen hoch amNachthimmel zu sehen, während die Sonne weit unterdem Horizont steht. Daraus schloss er, dass sich dieErde zwischen der Sonne und diesen Planeten befin-det, d. h., dass die Umlaufbahnen von Mars, Jupiterund Saturn außerhalb der Erdumlaufbahn liegen.

Die geometrische Anordnung der Erde, des jeweilsbetrachteten Planeten und der Sonne nennt manKonstellation. Wenn sich beispielsweise Merkur(oder Venus) direkt zwischen Erde und Sonne befin-det (Abb. 2.4), dann ist die momentane Konstellationdieses Planeten die untere Konjunktion. Wenn er sichaber – von der Erde aus gesehen – genau hinter derSonne befindet, spricht man von der oberen Kon-junktion.

Der Winkel zwischen der Sonne und einem Plane-ten, wie er von der Erde aus zum jeweiligen Zeitpunktzu sehen ist, heißt Elongation dieses Planeten. DieElongation eines Planeten variiert also zwischen 0° biszu einem bestimmten Maximalwert. Die momentaneElongation hängt davon ab, wo sich der Planet auf sei-ner Umlaufbahn um die Sonne gerade befindet. Beigrößter östlicher bzw. größter westlicher Elongation ei-nes Planeten bilden unsere Sichtlinien zu ihm und zurSonne jeweils den größtmöglichen Winkel. DieserMaximalwinkel beträgt beim Merkur ungefähr 28°und bei der Venus rund 47°. Wenn Merkur oder Venusvor der Sonne aufgehen, erscheint er bzw. sie als heller„Stern“ am Osthimmel. Daher nennt man die Venusauch Morgenstern. Und wenn Merkur oder Venusnach der Sonne untergehen, erscheint er bzw. sie amwestlichen Himmel, und die Venus ist der Abendstern.Im größten Teil der Zeit befinden sich diese zwei Pla-neten natürlich nicht bei großer Elongation, sondern


Ein äußerer Planet in Konjunktion ist nur tags-über (also nicht nachts) sichtbar

KonjunktionObere Konjunktion

Umlaufbahn des Merkur oder der Venus

Ein innerer Planet bei größter östlicher Elon-gation ist bei Sonnen-untergang sichtbar Größte

östliche Elongation

Größte westliche

ElongationSonne

Erde

Um

laufbahnen von Mars, Jupiter, Saturn usw. Untere Konjunktion

Opposition

Ein innerer Planet bei größter westlicher Elongation ist bei Sonnenaufgang sichtbar

Ein äußerer Planet in Oppo-sition steht um Mitternacht am höchsten am Himmel

Ein innerer Planet in unterer oder oberer Konjunktion ist nur tagsüber (also nicht nachts) sichtbar

Abb. 2.4 Planetenkonstella-

tionen. Einige ausgezeichnetePunkte der Umlaufbahn eines je-den Planeten entsprechen be-stimmten Konstellationen. IhreBezeichnungen sind in der Skiz-ze eingetragen. Hier liegt jeweilseine spezielle relative Positionder Erde, des betreffenden Pla-neten und der Sonne vor.


38 2 Gravitation und Planetenbewegung2

Wegbereiter der modernen Astronomie

Im 16. und 17. Jahrhundert erfuhr die Astronomie enorme Fortschritte und geradezu Umwälzun-gen, die sich aus den neuen Erkenntnissen ergaben. Die Bewegungen der Himmelskörper konn-ten jetzt nämlich durch das Wirken der Gravitationskraft erklärt werden, und die Erde verlor end-gültig ihre besondere Stellung als Zentrum des Kosmos. Die maßgebenden Theorien wurden vonglänzenden Denkern aufgestellt; sie widerlegten das heliozentrische Modell des Sonnensystemsund klärten die Bedeutung der Schwerkraft.

Nikolaus Kopernikus

(1473–1543)

Kopernikus wurde als jüngstes von vierKindern einer deutschen Familie inThorn an der Weichsel geboren, das zweiJahrzehnte zuvor an Polen gefallen war.Er studierte in Krakau Mathematik undAstronomie sowie in Bologna und PaduaMedizin und Rechtswissenschaften. Erkonzipierte eine heliozentrische Theoriedes seinerzeit bekannten Universums

und veröffentlichte 1543, kurz vor seinem Tode, sein Haupt-werk De Revolutionibus Orbium Coelestium (Über die Kreisbe-wegungen der Himmelssphären). Seine revolutionäre Theoriehatte allerdings noch den Nachteil, dass die Umlaufbahnender Planeten um die Sonne als Kreise angenommen wurden.Dies wurde später von Johannes Kepler korrigiert.

Tycho Brahe (1546–1601) und

Johannes Kepler (1571–1630)

Tycho Brahe (in diesem Porträt Keplersim Hintergrund dargestellt) wurde alsSohn einer adligen Familie in der däni-schen Stadt Knudstrup geboren, dieheute zu Schweden gehört. Im Alter von20 Jahren verlor er bei einem Duell ei-nen Teil seiner Nase und trug seitdemeine Prothese bzw. Maske aus Metall.Im Jahre 1576 gewährte ihm der däni-sche König Frederik II. die Mittel für denBau einer Sternwarte. Brahe nannte sieUraniborg (nach Urania, der griechi-schen Muse der Astronomie). Brahelehnte sowohl die heliozentrische Theo-

rie des Kopernikus als auch die geozentrische Theorie desPtolemäus aus dem 2. Jahrhundert n. Chr. ab. Er kombiniertebeide Ansätze miteinander und hielt die Erde für ruhend, dievon Sonne und Mond umlaufen wird, während sich alle ande-ren Planeten um die Sonne drehen.

Der nahe Stuttgart geborene Johannes Kepler studiertedrei Jahre lang in Deutschland Mathematik, Philosophie undTheologie. Im Jahre 1596 publizierte er mathematische For-meln zum Berechnen der Umlaufbahnen der Planeten. Ob-wohl diese Theorie unzutreffend war, erregten sein Mut undseine Originalität die Aufmerksamkeit von Tycho Brahe, des-sen Mitarbeiter Kepler im Jahre 1600 wurde. Dieser leitetespäter seine drei Gesetze aus den Ergebnissen von BrahesBeobachtungen ab.

Galileo Galilei (1564–1642)

Galilei, der in Pisa geboren wurde, stu-dierte hier Medizin und Philosophie.Bald wandte er sich aber der Mathema-tik und der Physik zu. Er erhielt an derUniversität Padua den Lehrstuhl für Ma-thematik und kehrte später in gleicherFunktion an die Universität Pisa zurück.Hier stellte er sein berühmtes Fallge-setz auf, nach dem alle Objekte mit dergleichen Beschleunigung zur Erde fal-

len, gleichgültig wie schwer sie sind. Im Jahre 1609 verbes-serte er die Konstruktion des Teleskops. Hiermit gelangenihm zahlreiche bahnbrechende Entdeckungen, die den vonder römisch-katholischen Kirche als einzig wahr anerkanntenLehren des Aristoteles widersprachen. Seine Arbeiten zurAstronomie sowie zu den Begriffen Bewegung, Beschleuni-gung und Scherkraft fasste er 1632 in seinem Werk Dialogosopra le due massimi systemi (Dialog über die zwei haupt-sächlichsten Weltsysteme) zusammen.

Isaac Newton (1643–1727)

Newton beschäftige sich gern mit derKonstruktion mechanischer Vorrichtun-gen wie beispielsweise Sonnenuhrenoder Windmühlenmodellen; er konzi-pierte auch eine Wasseruhr und einemechanische Kutsche. Sein Studium inLondon und Cambridge schloss er1665 ab. Als Professor für Mathematikin Cambridge entwickelte er danach(unabhängig vom Gottfried WilhelmLeibniz) die Infinitesimalrechnung. Bei

seinen Experimenten zur Optik konstruierte Newton einSpiegelteleskop und entdeckte, dass weißes Licht eine Mi-schung von Licht aller Farben ist. Seine bahnbrechenden Er-kenntnisse über Kräfte allgemein und über die Gravitations-kraft im Besonderen publizierte er 1687 in dem umfangrei-chen Werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Ma-thematische Prinzipien der Naturlehre). Im Jahre 1704 legteNewton seine zweite große Abhandlung Opticks (Optik) vor,in der er seine Experimente und Theorien über Licht und Far-ben beschrieb. Newton starb 1727 und wurde in der West-minster Abbey beigesetzt – eine Ehre, die zuvor noch keinemWissenschaftler zuteil geworden war.

(E. Lessing/Art Resource)

(Art Resource)

(National PortraitGallery, London)

(Gemälde von Jean-Leon Huens, mit freundlicher Genehmigung der National Geo-graphic Society)


erscheinen bei recht kleinen Winkeln zur Sonne. Dasgilt vor allem für den Merkur, weil er ja die innersteUmlaufbahn hat. Er ist daher von der Erde aus oft nurschwer zu sehen. Im Gegensatz dazu ist die Venus (dernach Sonne und Mond hellste Himmelskörper) wäh-rend des größten Teils ihrer Umlaufbahn zu sehen. BeiSonnenaufgang bzw. bei Sonnenuntergang steht sieoft in mäßiger Höhe über dem Horizont. Wegen ihrergroßen Helligkeit und weil sie aufgrund von Fluktua-tionen in der Erdatmosphäre zuweilen ihre Farbe zuändern scheinen, werden Merkur und Venus manch-mal sogar für UFOs gehalten.

Planeten, die von der Sonne weiter entfernt sind alsdie Erde, zeigen unterschiedliche Konstellationen. BeiKonjunktion steht ein Planet, von der Erde aus gese-hen, vor oder hinter der Sonne, und bei Oppositionsteht er am Himmel der Sonne gegenüber (Abb. 2.4).Wenn sich Mars beispielsweise in Opposition befin-det, erscheint er um Mitternacht als heller „Stern“hoch oben am Himmel.

Ein Planet kann relativ leicht verfolgt werden,wenn er sich von einer Konstellation zu einer anderenbewegt. Aber aus solchen Beobachtungen allein kön-nen wir seine tatsächliche Umlaufbahn nicht erschlie-ßen, weil sich auch die Erde bewegt (von der aus wirihn ja beobachten). Daher unterschied Kopernikusbei jedem Planeten sorgfältig zwischen zwei charakte-ristischen Zeitintervallen oder Perioden.

Wie wir in Kapitel 1 am Beispiel des Monds gese-hen haben, ist die wahre Umlaufdauer eines astrono-mischen Objekts dessen siderische Periode. Dies istdie Zeitspanne, in der ein Himmelskörper relativ zuden Hintergrundsternen einen vollständigen Umlauf(beispielsweise um die Sonne) vollendet. Die sideri-sche Periode eines Planeten ist dessen Jahreslänge.

Das andere nützliche Zeitintervall, das Kopernikusansetzte, ist die synodische Periode. Dies ist die Zeit-spanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden, von derErde aus gesehen gleichen Konstellationen eines Him-melskörpers. Das kann also der Zeitraum von einerOpposition bis zur nächsten oder von einer Konjunk-tion bis zur nächsten sein (Abb. 2.5). Bei Kenntnis sei-ner synodischen Periode können wir berechnen,wann ein Planet das nächste Mal der Erde am nächs-ten kommt und daher am besten zu beobachten ist.

Vor rund 500 Jahren konnte Kopernikus also dieWerte ermitteln, die den ersten sechs Zeilen in Tab. 2.1entsprechen (die anderen Werte sind Ergebnisse ausunserer Zeit, die der Vollständigkeit halber angegebensind). Kopernikus konzipierte nun eine einfache geo-metrische Methode, um die Abstände der Planetenvon der Sonne zu bestimmen. Seine Ergebnisse kamenden heutigen Werten schon recht nahe, wie aus

Tab. 2.2 deutlich wird. Aus ihr und aus Tab. 2.1 gehthervor, dass die Umlaufdauer eines Planeten umsolänger ist, je weiter er von der Sonne entfernt ist.

Kopernikus präsentierte seinen heliozentrischenAnsatz zusammen mit Beobachtungsergebnissen undBerechnungen, die ihn unermauerten, unter dem Ti-tel De Revolutionibus Orbium Coelestium (Über dieKreisbewegungen der Himmelssphären). Diese Schrifterschien 1543 kurz vor seinem Tode. Kopernikus’ Er-kenntnisse zeichneten sich durch die begriffliche Ein-fachheit des heliozentrischen Planetensystems gegen-über dem geozentrischen aus. Das zeigte sich vor al-lem bei der Erklärung der zeitweise rückläufigen Pla-


Auch eine andere Perspektive einnehmen Zuweilenist eine wissenschaftliche Theorie oder Hypothese schwernachzuvollziehen. Dann sollte man sie einmal aus eineranderen Perspektive betrachten. Beispielsweise würdedie siderische Umlaufdauer eines Planeten um die Sonneviel anschaulicher, wenn man seine Bewegung auf derUmlaufbahn von der Sonne anstatt von der Erde aus be-trachten würde. Andererseits ist die synodische Umlauf-dauer eines Planeten von der Erde aus leichter zu erklä-ren. Eine entscheidende Rolle spielt also der Standort desBeobachters. Man kann hierbei auch von einem Bezugs-

system sprechen; hierauf werden wir im Zusammenhangmit Einsteins Relativitätstheorien (der speziellen und derallgemeinen) noch zurückkommen.


Um

laufbahn des Merkur

Umlaufbahn der ErdeUntere

Konjunktion 1

Untere Konjunktion

2

Abb. 2.5 Die synodische Periode. Die Zeitspanne zwischenaufeinanderfolgenden Konjunktionen von Erde und Merkur be-trägt 116 Tage. Für alle synodischen Perioden von Planeten istes typisch, dass sich die Erde am Anfang und am Ende der Pe-riode an unterschiedlichen Positionen befindet. Diese Abbil-dung zeigt auch die Konstellationen eines äußeren Planeten;dazu muss man hier nur die Erde an die Stelle des Merkur undden äußeren Planeten an die Stelle der Erde setzen.



netenbewegungen. Allerdings irrte Kopernikus mitseiner Theorie, dass die Planeten auf Kreisbahnen dieSonne umlaufen. Daher waren viele seiner Voraussa-gen der Planetenpositionen ohne Annahme von Epi-zykeln auch nicht genauer als beim geozentrischen

Ansatz (siehe Anhang G.1). Wie wir gleich sehen wer-den, erzielte Johannes Kepler später genauere Vorher-sagen. Dazu nahm er ellipsenförmige statt kreisför-miger Umlaufbahnen an und konnte auf jegliche Epi-zykeln verzichten.

2.4 Tycho Brahes astronomischeBeobachtungen widersprachendem alten Weltbild

Im November 1572 erschien im Sternbild Kassiopeiaplötzlich ein heller Stern. Zunächst war er sogar hellerals die Venus. Doch wurde er nach und nach dunklerund verschwand nach 18 Monaten wieder vom Him-mel. Heute weiß man, dass es sich um eine Superno-vaexplosion gehandelt hatte, also um den Tod einesSterns, der einem bestimmten Typ angehörte (sieheKapitel 10). Im 16. Jahrhundert war das Auftaucheneines neuen Sterns mit den anerkannten Lehren un-vereinbar, die seit der Antike galten und vornehmlichauf Aristoteles und Platon zurückgingen. Sie besagtenunter anderem, dass die Himmelskugel mit den Fix-sternen völlig unveränderlich ist. Demnach konnteder „neue Stern“ von 1572 überhaupt kein Stern sein,denn sein Erscheinen würde ja eine Veränderung dar-stellen. Daher waren viele Astronomen und Theolo-

2

synodisch siderisch

Merkur 0,318 0,241

Venus 1,599 0,616

Erde – 1,0

Mars 2,136 1,9

Jupiter 1,092 11,9

Saturn 1,035 29,5

Uranus 1,013 84,0

Neptun 1,008 164,8

Tab. 2.1 Synodische und siderische Umlaufdauern der Plane-ten (in siderischen Erdenjahren)

Messwert (AE)nach Kopernikus heute

Merkur 0,38 0,39

Venus 0,72 0,72

Erde 1,00 1,00

Mars 1,52 1,52

Jupiter 5,22 5,20

Saturn 9,07 9,54

Uranus Unbekannt 19,19

Neptun Unbekannt 30,06

Tab. 2.2 Mittlere Abstände der Planeten von der Sonne

So sieht sie die Berge hinter dem nahe gelegenen Baum

So sieht er die Berge hinter dem nahe gelegenen Baum

Sein Blickwinkel zum nahe gele-genen Baum

Ihr Blickwinkel zum nahe gele-

genen Baum

Abb. 2.6 Die Parallaxe. Nahe gelegene Objekte erscheinenvon verschiedenen Standorten unter verschiedenen Blickwin-keln. Diese Objekte scheinen sich dabei relativ zu weit ent-fernten Objekten für jeden Betrachter zur selben Zeit an eineranderen Position zu befinden. Diese beiden als Parallaxe be-zeichneten Effekte werden beispielsweise von Astronomen,Landvermessern und Seeleuten ausgenutzt, um Entfernungenzu bestimmen. (Tobi Zausner)


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