Spektralanalyse und kosmische Expansion einfach erklärt

Stell dir vor, ein Krankenwagen fährt mit eingeschalteter Sirene an dir vorbei. Wenn er auf dich zukommt, klingt der Ton hoch. Sobald er an dir vorbeifährt und sich entfernt, wird der Ton plötzlich tiefer. Dieses Phänomen nennt man den Doppler-Effekt.

Was bei Schallwellen funktioniert, passiert auch bei Licht! Astronomen nutzen bei der Spektralanalyse und kosmischen Expansion genau diesen Trick, um herauszufinden, ob sich Sterne im Weltall auf uns zu oder von uns weg bewegen. In diesem Artikel lernst du, wie wir das Licht der Sterne lesen können und warum uns diese Farben verraten, dass das gesamte Universum wächst.

Vorwissen

• Das Lichtspektrum: Weißes Licht besteht aus allen Farben des Regenbogens. Beispiel: Wenn Sonnenlicht durch ein Prisma (oder einen Wassertropfen) fällt, fächert es sich in ein buntes Farbband auf.
• Geschwindigkeit ($v$): Gibt an, welche Strecke in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wird. Beispiel: Ein Auto fährt mit einer Geschwindigkeit von $50 \text{ km/h}$.

Aufgabentyp 1: Spektralanalyse und kosmische Expansion – Rot- und Blauverschiebung

Sterne bestehen aus verschiedenen chemischen Elementen. Wenn das Licht eines Sterns durch den Weltraum zu uns reist, schlucken diese Elemente ganz bestimmte Farben. Wenn wir das Sternenlicht auf der Erde in ein Spektrum (ein Farbband) zerlegen, fehlen diese Farben. Sie sehen aus wie schwarze Lücken oder ein Strichcode.

Dieser „Strichcode“ ist wie ein Fingerabdruck, der uns verrät, woraus der Stern besteht. Doch Astronomen haben noch etwas anderes entdeckt: Wenn sich ein Stern bewegt, verschiebt sich sein gesamter Strichcode!

Hier gilt eine feste Regel, ähnlich wie beim Krankenwagen:

• Rotverschiebung: Wenn sich ein Stern von uns entfernt, werden seine Lichtwellen gestreckt. Die schwarzen Linien im Spektrum verschieben sich in Richtung der roten Farbe.
• Blauverschiebung: Wenn sich ein Stern auf uns zubewegt, werden die Lichtwellen gestaucht. Die Linien verschieben sich in Richtung der blauen Farbe.

Je schneller sich der Stern bewegt, desto stärker ist diese Verschiebung.

Aufgabentyp 2: Das Hubble-Lemaître-Gesetz und der expandierende Raum

Im Jahr 1927 machte der Forscher Georges Lemaître eine erstaunliche Entdeckung, die später von Edwin Hubble bestätigt wurde: Wenn wir in den Nachthimmel schauen, weisen fast alle fernen Sterne und Galaxien eine Rotverschiebung auf. Das bedeutet, sie bewegen sich alle von uns weg!

Noch verrückter war: Je weiter Sterne von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich von uns weg. Diese Regel nennt man das Hubble-Lemaître-Gesetz.

Aber warum fliehen alle Sterne vor uns? Sind wir der Mittelpunkt? Nein! Die Sterne fliegen gar nicht wie Raketen durch den leeren Raum. Stattdessen dehnt sich der Weltraum selbst aus.

Stell dir ein kariertes Spielbrett vor, auf dem Spielfiguren (die Sterne) stehen. Wenn das Spielbrett selbst wächst und sich dehnt, werden die Quadrate größer. Die Spielfiguren bleiben gleich groß, aber der Abstand zwischen ihnen wächst. Von jeder Figur aus gesehen sieht es so aus, als würden sich alle anderen Figuren entfernen. Genau das passiert in unserem Universum!

Aufgabentyp 3: Berechnung der kosmischen Expansion

Da wir nun wissen, dass der Raum wächst, wollen Wissenschaftler natürlich wissen: Wie schnell wächst er?

Dafür gibt es den Hubble-Parameter (abgekürzt mit $H_{0}$). Er gibt die aktuelle Expansionsrate des Universums an. Für unsere Berechnungen nutzen wir diesen vereinfachten Wert:

$H_{0} = \frac{2{,}2 \text{ m/s}}{100 \text{ Lj}}$

Was bedeutet diese Formel?

• $\text{m/s}$ steht für Meter pro Sekunde (die Geschwindigkeit).
• $\text{Lj}$ steht für Lichtjahre (die Entfernung).

Der Parameter sagt uns: Für jede $100 \text{ Lichtjahre}$, die ein Stern von uns entfernt ist, kommt eine scheinbare Fluchtgeschwindigkeit von $2{,}2 \text{ m/s}$ dazu. Ein Stern, der doppelt so weit weg ist ($200 \text{ Lj}$), scheint sich also auch doppelt so schnell von uns wegzubewegen ($4{,}4 \text{ m/s}$).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Mit dem Hubble-Parameter kannst du die scheinbare Geschwindigkeit eines Sterns berechnen, wenn du seine Entfernung kennst.

1. Entfernung notieren: Schreibe auf, wie viele Lichtjahre ($\text{Lj}$) der Stern entfernt ist.
2. Entfernungs-Pakete berechnen: Da der Hubble-Parameter für jeweils $100 \text{ Lj}$ gilt, teilst du die Entfernung des Sterns durch $100 \text{ Lj}$. So weißt du, wie viele „$100\text{-Lj-Pakete}$“ in die Entfernung passen.
3. Mit der Rate multiplizieren: Multipliziere das Ergebnis aus Schritt 2 mit der Geschwindigkeit von $2{,}2 \text{ m/s}$. Das Ergebnis ist die Fluchtgeschwindigkeit des Sterns.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Farbverschiebung: Bewegt sich ein Stern von uns weg, ist sein Licht rotverschoben. Kommt er näher, ist es blauverschoben.
• Hubble-Lemaître-Gesetz: Je weiter Sterne von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich von uns weg.
• Expandierender Raum: Die Sterne fliegen nicht durch den Raum, sondern der Weltraum selbst dehnt sich aus (wie ein wachsendes Spielbrett).
• Hubble-Parameter: Gibt die Rate der Ausdehnung an. Aktuell rechnen wir mit $2{,}2 \text{ m/s}$ pro $100 \text{ Lichtjahre}$ Entfernung.