Galaxien

Die Schatten galaktischer Welten

R�tselhafte Sternstr�me k�nnten �berbleibsel von Minigalaxien sein, auf deren Kosten sich unsere Milchstra�e zu einem galaktischen Riesen entwickelte. Sie zu finden, erfordert astronomischen Sp�rsinn.

Welchen Stern auch immer Sie am Nachthimmel entdecken: Jeder einzelne von ihnen geh�rt zu unserer eigenen Galaxie, der Milchstra�e. Schon die Sonnen der uns am n�chsten stehenden der gro�en Nachbargalaxien bleiben dem unbewehrten Auge verborgen: Andromeda erscheint lediglich als schwacher Nebelfleck. Keine Chance also, jemals die Sterne fremder kosmischer Gefilde zu Gesicht zu bekommen.

Oder vielleicht doch? Arkturus � zweithellster Stern am Nordhimmel und im Sternbild Bootes zu finden � r�ttelt an dem einfachen Bild, dem zufolge die in der Milchstra�e geborenen Sonnen ganz unter sich sind. Er bewegt sich ein wenig anders und ist auch chemisch nicht ganz so zusammengesetzt, wie man erwarten w�rde.

1. Gr��ere Fluchtgeschwindigkeit in der Vergangenheit?

09.10.2007, Katja Ellbrunner-Thieme, M�nchen

Auf eine Frage zum Thema Expansion des Universums finde ich keine Antwort. Es ist bekannt, dass die Fluchtgeschwindigkeit eines Objekts um so gr��er ist, je weiter es entfernt ist. Nun ist aber der Blick in die Weiten des Universums ein Blick in die Vergangenheit. Muss ich nicht daraus schlie�en, dass sich das Universum in der Vergangenheit schneller ausdehnte als heute?

Antwort der Redaktion:
Wenn wir beispielsweise eine 1 Milliarde Lichtjahre und eine 5 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie betrachten, so messen wir eine jeweils unterschiedliche Rotverschiebung. Denn das Licht der einen Galaxie hatte f�nf mal solange Zeit, um sich von der Expansion des Raums dehnen zu lassen. F�r die Entfernung zu den Galaxien bedeutet das: Wenn der Raum in einem bestimmten Zeitraum um, sagen wir, den Faktor 2 gedehnt wird, ist die nahe Galaxie anschlie�end 2 Mrd. Lichtjahre entfernt, die fernere aber 10 Mrd. Lichtjahre, sodass sich letztere also viel schneller zu entfernen scheint. Der Grund daf�r: Zwischen uns und der ferneren gibt es schlicht viel mehr Raum, der gedehnt wird, als zwischen uns und der n�heren Galaxie � daher die gr��ere Fluchtgeschwindigkeit.

Ob sich nun die Expansionsrate in dieser Zeit ver�nderte, k�nnen wir aus dieser Information allerdings nicht ableiten. Das Licht k�nnte zum Beispiel auf dem ersten Meter seiner Wegstrecke so stark gedehnt worden sein, wie wir es jetzt wahrnehmen, und den Rest seiner Strecke v�llig unver�ndert zur�ckgelegt haben. Aber woran sollen wir das merken? Wir kennen nur das Endergebnis, eben die Rotverschiebung, die uns aber lediglich �ber eine "mittlere" Expansionsrate informiert.

Ob sich die Expansionsgeschwindigkeit des Universums ver�ndert, wird anhand von Himmelsobjekten beobachtet, deren Entfernung wir gut kennen ("Standardkerzen"). Bei Supernovae vom Typ 1a z.B. geht man davon aus, dass all diese Sternexplosionen dieselbe absolute Helligkeit �vor Ort" aufweisen. Aus der scheinbaren Helligkeit, mit der sie uns am Himmel erscheinen, k�nnen wir dann ziemlich genau ihre Entfernung berechnen � je weiter weg, desto schw�cher das Licht etc.

Wenn man nun beispielsweise zwei Supernovae in einem Abstand von ein bzw. zwei Milliarden Lichtjahren entdeckt hat, kann man die Rotverschiebungen vergleichen und w�rde bei konstanter Expansionsrate erwarten, dass die Rotverschiebung der entfernteren Supernova schlicht doppelt so gro� ist wie die der n�heren � das Licht w�re dann doppelt so lang bei sonst gleichen Umst�nden unterwegs gewesen. Ist aber zum Beispiel das Licht der ferneren Supernova weniger als doppelt so stark rotverschoben, dann ist davon auszugehen, dass die Expansionsrate w�hrend der ersten H�lfte der Wegstrecke, die deren Licht zur�ckzulegen hatte, kleiner gewesen ist als sp�ter.

Nachlesen l�sst sich �hnliches zum Beispiel in Spektrum der Wissenschaft, Juli 2004. Falls Sie das Heft nicht mehr haben: Hier k�nnen Abonnent(inn)en den Artikel kostenfrei abrufen.

2. Fluchtgeschwindigkeit, die zweite

03.11.2007, Katja Ellbrunner-Thieme, M�nchen

Vielen Dank f�r Ihre Antwort auf meinen Leserbrief zu dieser Frage.

In Ihrer Antwort verweisen Sie auf zwei verschiedene Galaxien, die sich in unterschiedlicher Entfernung mit verschiedenen Geschwindigkeiten von der Erde entfernen. Die Galaxie in der Entfernung von 1 Milliarde Lichtjahre soll sich mit der Geschwindigkeit v1 von der Erde entfernen. Diese Geschwindigkeit fand zur Zeit t1 statt. Die Galaxie in der Entfernung von 5 Milliarden Lichtjahre bewege sich mit der Geschwindigkeit v2 von der Erde weg, dies fand zur Zeit t2 statt.

Wie wir an der Rotverschiebung erkennen, ist die Geschwindigkeit v1 kleiner als die Geschwindigkeit v2.
Es gilt also: v1 kleiner v2.

Da ein Blick in die Weiten des Universums aber ein Blick in die Vergangenheit ist, findet der Zeitpunkt (t1), als die erste Galaxie beobachtet wird, zeitlich sp�ter statt, als der Zeitpunkt (t2), zu dem sich die Galaxie mit der Geschwindigkeit v2 bewegt.
Es gilt also: t1 gr��er t2.

Wenn jetzt zu einem fr�heren Zeitpunkt (t2) eine gr��ere Geschwindigkeit (v2) gemessen wird, als zu einem sp�teren Zeitpunkt (t1), so spricht man doch von einer negativen Beschleunigung, also findet Abbremsung statt.

Wo liegt dabei mein Denkfehler? Oder gibt es keinen?

Antwort der Redaktion:
Der Denkfehler liegt wohl in der Vorstellung, dass sich die Galaxien zu den fr�heren Zeitpunkten t1 bzw. t2 bereits mit v1 bzw. v2 bewegten.

Das Licht, das wir heute messen, ist vor Urzeiten von diesen Galaxien ausgegangen. Wir erfahren durch die Messung also, dass diese Galaxien damals dieses Licht ausgestrahlt haben - insofern blicken wir tats�chlich in die Vergangenheit. Die Messung der Rotverschiebung hingegen ist eine Messung gegenw�rtiger Verh�ltnisse: Dabei findet man heraus, wie stark das Licht durch die Expansion des Raums gedehnt wurde, was also w�hrend der vergangenen Jahrmilliarden bis zum heutigen Zeitpunkt mit ihm geschah. Dies ist kein Blick in die Vergangenheit!

Anders ausgedr�ckt: Die Lichtwelle �an sich� ist zwar alt, ihre ganz spezifische Auspr�gung, aus der wir unsere Schl�sse ziehen, hat sie aber nur in der Gegenwart. Erst heute (!) haben die beiden Galaxien die Geschwindigkeiten v1 und v2.

Ob nun die Expansion des Raums in dieser Zeit beschleunigt oder abgebremst wurde, l�sst sich aus diesen �berlegungen allerdings nicht ermitteln. Ein unrealistisches, aber illustratives Beispiel w�re dieses: H�tte sich beispielsweise der Raum im Januar dieses Jahres schneller ausgedehnt als �blich, um im M�rz dann entsprechend langsamer als �blich zu expandieren, w�re das Licht genauso rotverschoben, wie wir es tats�chlich beobachten. Ihr Beispiel mit den zwei Galaxien l�sst also nicht zu, dass wir N�heres �ber die Zeitabh�ngigkeit der Expansion erfahren. Daf�r wiederum sind die in der letzten Antwort genannten Supernovae-Untersuchungen ein wichtiges Hilfsmittel.