Als Joseph Fraunhofer vor 200 Jahren am 7. Juni 1826 in München starb, schrieb man auf sein Grab: »Approximavit sidera« – Er hat die Gestirne nähergebracht. Das war auch wörtlich so. Fraunhofer hatte Fernrohre entwickelt, mit denen Mond, Planeten und Sterne dem Auge der Astronomen näher kamen. Doch erst Jahre nach seinem Tod offenbarte sich eine zweite wahre Lesart des lateinischen Satzes, die noch viel weiter reicht. Denn bei seiner Arbeit als Optiker hatte Fraunhofer ein Messverfahren entwickelt, mit dem sich aus dem Licht von Sternen ihre chemische Zusammensetzung ablesen lässt – eine Errungenschaft von wissenschaftshistorischer Tragweite, die dem begabten Experimentator selbst jedoch verborgen blieb.

Dass diese bemerkenswerte Geschichte ausgerechnet mit einer Steuerreform begann, ist eine der womöglich deutschesten Wendungen der Physikgeschichte. 1806 wurde Bayern zum Königreich erhoben, und der junge Staat brauchte Geld. Die Lösung schien einfach: eine Grundsteuer auf Basis exakter Vermessungen. Doch dafür brauchte man präzise Instrumente. Diese verlangten eine moderne, hochwertige Optik, die wiederum optisches Glas mit speziellen Eigenschaften erforderte. Und so gebar eine Steuerreform ein wissenschaftliches Großprojekt.

Dass dies ausgerechnet mit einer Steuerreform begann, ist eine der womöglich deutschesten Wendungen der Physikgeschichte

Optisches Glas war damals ein strategischer Werkstoff. Bei seiner Herstellung nahm England eine Schlüsselstellung ein, vergleichbar mit Taiwan bei der heutigen Produktion von Mikrochips. Militärisch konnte Napoleon, der Herrscher über das europäische Festland, die Insel nicht bezwingen, also versuchte er, sie wirtschaftlich zu ersticken. Im November 1806 verbot er den mit ihm verbündeten Staaten, darunter Bayern, jeden Handel mit Großbritannien. So wurde englisches Glas auf einmal unerreichbar.

Die Kontinentalsperre zeigte am Fuß der Alpen Wirkung: Bayern musste das ersehnte Glas nun selbst herstellen. Im ehemaligen Kloster Benediktbeuern errichtete man dafür eine Glasschmelze; die Weiterverarbeitung sollte im soeben gegründeten Mathematisch-Mechanischen Institut in München stattfinden.

Ebendort wurde im selben Jahr der 19-jährige Joseph Fraunhofer als Mitarbeiter aufgenommen. Nur fünf Jahre später wurde ihm die Leitung des gesamten Instituts inklusive Glasschmelze übertragen. Und das, obwohl er weder eine Universität besucht noch eine reguläre Schulbildung erhalten hatte. Geboren 1787 in Straubing als elftes Kind eines Glasermeisters, hatte er mit zehn die Mutter verloren und mit elf den Vater. Sein Vormund gab den Waisenjungen zu einem Münchner Spiegelmacher in die Lehre, bei dem zu lernen vor allem hieß, nicht lesen und nicht zur Schule gehen zu dürfen. Doch dann stürzte dessen Haus ein, und alles wurde ganz anders.

Der Waisenknabe und der kommende König

Im Archiv des Deutschen Museums in München befindet sich ein Stich von Joseph Blanz aus dem Jahr 1852: »Maximilian rettet aus den Trümmern eines eingestürzten Hauses den Glaserlehrling Fraunhofer«. Die Bildkomposition zitiert die Auferweckung des Lazarus, wie sie das Neue Testament beschreibt. Der Kurfürst und spätere König Max I. Joseph von Bayern breitet, umgeben von staunenden Zeugen, Christus gleich die Arme aus, als nähme er den aus den Trümmern geborgenen Jungen nicht seinen Rettern ab, sondern der Vorsehung. Im Rückblick wirkt die Szene prophetisch, trug der verschüttete Lehrjunge doch später dazu bei, die moderne Astrophysik zu begründen.

Im Juli 1801 war das Haus von Fraunhofers Lehrmeister eingestürzt und der 14-Jährige unter Trümmern begraben worden, ein Unglück, das ganz München aufwühlte. Nach wenigen Stunden kam der alarmierte Kurfürst persönlich aus seiner nahe gelegenen Residenz herbei. Es heißt, er habe selbst das halb zerstörte Gebäude betreten – kurz nachdem die Hand des Jungen aus einer Öffnung in den Trümmern erschienen sei.

Was Fraunhofer fast das Leben gekostet hätte, wurde zum Wendepunkt seines Lebens. Wenig später empfing Maximilian den Jungen auf Schloss Nymphenburg und beauftragte den Geheimen Rat Joseph von Utzschneider, sich des Waisen anzunehmen. Utzschneiders Hauptjob freilich war ein anderer: Er war es, der die Grundsteuer konzipiert und das Mathematisch-Mechanische Institut samt Glasschmelze errichtet hatte. Ab sofort kümmerte er sich auch um Fraunhofer. Er stattete ihn mit Büchern aus, ermöglichte ihm Unterricht und verschaffte ihm Zugang zur Welt der Wissenschaft, die dem Vollwaisen sonst wohl für immer verschlossen geblieben wäre.

Der Verwaltungsreformer förderte mit Fraunhofer freilich nicht nur ein besonderes Talent. Ob Absicht oder Zufall: Utzschneider trug dazu bei, dass aus dem Jugendlichen genau der Mann wurde, den sein eigenes Unternehmen schon bald gut brauchen konnte. In den fünf Jahren nach seiner Rettung lernte Fraunhofer zugleich Mathematik, Optik und das Handwerk der Glasbearbeitung. Just diese Kombination war nötig, um das Problem zu lösen, an dem das ganze Vorhaben der Grundsteuerreform wie an einem seidenen Faden hing.

Das Problem mit den Fernrohren

Wer zu Beginn des 19. Jahrhunderts durch ein Fernrohr blickte, sah die Welt nicht klar. Die Bilder waren von farbigen Säumen umgeben, bläulich auf einer Seite, rötlich auf der anderen. Die Ursache war nicht schlechte Handwerkskunst, sondern die Natur des Glases selbst. Es bricht kurzwelliges Licht stärker als langwelliges, sodass Blau und Rot hinter der Linse nicht im selben Punkt zusammentreffen und so die farbigen Säume der chromatischen Aberration erzeugen.

Der große Isaac Newton (1643–1727) hatte dieses Problem für unlösbar gehalten. Erst 1758 bewies sein Landsmann, der englische Optiker John Dollond (1706–1761), dass es sich zumindest weitgehend korrigieren ließ: durch die Kombination zweier Glassorten mit unterschiedlicher Brechung, einer Sammellinse aus Alkali-Kalk-Silicatglas, sogenanntem Kronglas, und einer Zerstreuungslinse aus dem schweren, bleihaltigen Flintglas. Das Ergebnis waren achromatische Objektive, die so konstruiert waren, dass sie die chromatische Aberration für Rot und Blau korrigierten.

Doch solche Objektive ließen sich nicht einfach zusammensetzen. Ein Optiker musste genau wissen, wie stark jede Glassorte Licht verschiedener Wellenlängen bricht. Nur so konnte die Zerstreuungslinse die Farbabweichung der Sammellinse ausgleichen – ohne deren sammelnde Wirkung zu beeinträchtigen. In England hatte man dies über Jahrzehnte durch Versuch und Irrtum gelernt. Da Benediktbeuern auf keine solche Erfahrung zurückgreifen konnte, musste das bewährte Augenmaß der Meister durch ein exaktes Messverfahren ersetzt werden.

Das Prinzip war längst bekannt: Seit Newtons Experimenten wusste man, dass ein Prisma weißes Licht in bunte Einzelfarben auffächert. Man konnte ein kleines Stück Glas mit schrägen Flächen aus einer Glasprobe schneiden, Sonnenlicht hindurchschicken und den Ablenkungswinkel für jede Farbe messen. Anschließend wiederholte man den Versuch mit einer zweiten Glassorte und verglich die Ergebnisse.

Soweit die Theorie. Um aber den Ablenkungswinkel zweier Glassorten in der Praxis vergleichen zu können, musste man beide Male exakt dieselbe Stelle im Spektrum messen. Das Problem dabei: Hinter dem Prisma erschien das Licht als nahtloses Farbband. Rot floss in Orange über, Orange in Gelb, Gelb in Grün. Das Auge konnte benachbarte Farbtöne nicht zuverlässig genug unterscheiden, um bei der zweiten Glassorte eine ganz bestimmte Stelle im Spektrum wiederzufinden – es gab ja keine fixen Teilstriche. Oder doch?

Benediktbeuren gegen England

Bereits 1802 hatte der englische Arzt und Naturforscher William Wollaston (1766–1828) Sonnenlicht durch einen Spalt und dann durch ein Prisma geleitet und dabei einige rätselhafte dunkle Einschnitte im Spektrum bemerkt. Zwölf Jahre später ging der Bayer Fraunhofer den entscheidenden Schritt weiter. Er kombinierte den Spalt und das Prisma mit einer Linse und einem Fernrohr: Die Linse bündelte das Licht zu parallelen Strahlen, das Prisma zerlegte es, und das Fernrohr vergrößerte das Spektrum so stark, dass einzelne Linien sichtbar wurden.

Wo Wollaston nur wenige Einschnitte bemerkt hatte, sah Fraunhofer durch sein Fernrohr nun Hunderte, einzeln und in Gruppen. Entscheidend dabei war, dass sie ihre Lage nie veränderten. Fraunhofer prüfte sie zu verschiedenen Tageszeiten, bei wechselndem Wetter und mit unterschiedlichen Prismen: Die Linien blieben ortsfest. Damit wurden sie zu festen Marken im Spektrum, wie Teilstriche auf einem Lineal.

Aus dieser Beobachtung heraus entwickelte Fraunhofer ein systematisches Prüfverfahren. Aus jeder Schmelze in Benediktbeuern wurde fortan ein kleines Prisma geschnitten, in den Messaufbau eingesetzt und an den Spektrallinien vermessen. Erst danach wurden die beiden Linsen des Objektivs berechnet und so geschliffen, dass sie optimal zueinanderpassten. Dank dieses Verfahrens stach Benediktbeuern die englische Konkurrenz innerhalb weniger Jahre an Präzision aus. Bayern, das kurz zuvor noch kein eigenes Flintglas herstellen konnte, lieferte nun einige der größten und besten Objektive der Welt.

Und Fraunhofer verfeinerte die Methode weiter. Anstelle eines Prismas begann er, mit Beugungsgittern aus Glas zu arbeiten, die das Licht noch präziser zerlegten und erstmals die Messung der Wellenlänge der Spektrallinien im Sonnenspektrum ermöglichten. Anfang der 1820er-Jahre schließlich richtete er seinen Messaufbau auch auf den hellsten Stern am Nachthimmel, Sirius. Dabei entdeckte er dunkle Linien in dessen Spektrum, die nicht mit denen im Sonnenspektrum übereinstimmten. Der Schluss lag nahe: Die Linien stammen weder vom Messaufbau noch von der irdischen Atmosphäre, sondern mussten vom Licht der Sterne selbst herrühren! Den tiefen Sinn dieser epochalen Entdeckung sollte Fraunhofer jedoch nicht mehr selbst entschlüsseln.

Aufstieg in die Welt der Wissenschaft

Gleichwohl ging seine völlig unwahrscheinliche Karriere weiter: Der Handwerker aus Straubing stieg in der Welt der Wissenschaft auf. Mit 34 Jahren wurde er außerordentliches Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, mit 35 Ehrendoktor der Universität Erlangen, und mit 37 Jahren wurde er vom König als »von Fraunhofer« in den persönlichen Adelsstand erhoben. Doch in seiner Arbeit blieb er zeitlebens ein Mann der Werkstatt. Um die Güte des Glases zu kontrollieren, stand er selbst an den offenen Tiegeln der Schmelzöfen und überwachte den Prozess bis zuletzt – fast im wörtlichen Sinn. Mit nur 39 Jahren starb Fraunhofer am 7. Juni 1826 an Lungentuberkulose, jener Berufskrankheit, die viele Glasmacher der Epoche das Leben kostete.

Zurück blieb eine Spektralkarte mit mehr als 570 Linien, die Fraunhofer mit den Buchstaben A bis I bezeichnet und eigenhändig in Kupfer radiert hatte. Zwei kolorierte Originaldrucke sind heute im Besitz des Deutschen Museums in München, wo auch der Stich seiner Rettung als 14-Jähriger aufbewahrt wird. Ein dritter Originaldruck gelangte zu einem Prominenten nach Weimar, Johann Wolfgang von Goethe. Dort befindet es sich heute im Museum des Dichters und Naturforschers, der seine gegen Newton gerichtete »Farbenlehre« als sein größtes Werk überhaupt ansah. Doch auch Goethe wusste sich keinen Reim auf die Fraunhoferlinien zu machen. Was diese bedeuteten, begann sich erst 33 Jahre nach Fraunhofers und 27 Jahre nach Goethes Tod zu klären.

Als Robert Bunsen (1811–1899) im Jahr 1859 in Heidelberg einen Brenner mit nahezu farbloser Flamme konstruierte, war der entscheidende Moment für Fraunhofers Methode gekommen. Die neue Flamme störte die Eigenfarbe der erhitzten Stoffe kaum noch. So ließ sich nun klarer erkennen, dass verschiedene Substanzen Licht in jeweils charakteristischen Farben aussandten. Bei manchen war das mit bloßem Auge zu erkennen – Natrium leuchtete gelb, Lithium rot. Bei vielen anderen blieb der Farbeindruck jedoch schwach oder zu ungenau, um ein Element zuverlässig zu bestimmen. Bunsens Heidelberger Kollege Gustav Kirchhoff (1824–1887) schlug deshalb vor, dieses Licht nach Fraunhoferart zu zerlegen: durch einen engen Spalt und ein Prisma.

Das Prisma zerlegte das Licht in einzelne Farben. Es zeigte sich, dass jedes Element sein eigenes Muster aus scharf begrenzten, farbigen Linien an festen Stellen im Spektrum hatte: eine Art optischer Strichcode. Eine der auffälligsten hellen Linien fiel dabei genau mit einer der stärksten dunklen Linien im Sonnenspektrum zusammen.

Auf der Spur des Natriums

Fraunhofer hatte diese Übereinstimmung selbst schon bemerkt. Im Spektrum einer Kerzenflamme sah er eine helle gelbe Linie, die genau mit der stärksten, von ihm mit »D« bezeichneten dunklen Linie im Sonnenspektrum zusammenfiel. Es war das Leuchten von Natrium, das fast überall zu finden ist – im Wachs, im Docht, im Staub – und das schon in kleinsten Mengen jede Flamme gelb färbt. Das freilich wusste Fraunhofer nicht. Er notierte seinen Fund, ging ihm aber nicht weiter nach. Wie er später in den »Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München« festhielt, habe er »aus Mangel an Zeit« vor allem auf das Rücksicht nehmen müssen, »was auf praktische Optik Bezug zu haben schien«.

Bunsen und Kirchhoff hingegen verglichen die Muster bekannter Elemente mit Fraunhofers Karte des Sonnenspektrums. Sie stimmten überein – bloß mit dem Unterschied, dass dort, wo chemische Elemente im Labor helle Linien erzeugten, in Fraunhofers Palette dunkle prangten. Es wirkte wie das Positiv und Negativ ein und derselben Aufnahme.

Kirchhoff erkannte schließlich das Gesetz, das beiden Beobachtungen zugrunde liegt. Jedes chemische Element sendet und verschluckt Licht auf denselben, nur ihm eigenen Wellenlängen. Wird ein Element in der Flamme erhitzt, so strahlt es auf diesen Wellenlängen. Trifft Licht auf ein Gas, in dem dasselbe Element vorhanden ist, absorbiert dieses genau jene Wellenlängen, die es selbst aussenden kann.

Warum die Elemente sich so verhalten, konnte allerdings auch Kirchhoff noch nicht erklären. Erst ein halbes Jahrhundert später lieferte die Quantenphysik die Antwort: Die Elektronen eines Atoms können stets nur ganz bestimmte Energieniveaus annehmen. Wird ein Atom erhitzt, springt ein Elektron nach oben, fällt zurück und gibt die Energiedifferenz als Licht einer charakteristischen Frequenz ab.

Im Sonnenlicht zeigt sich dasselbe Phänomen von der anderen Seite. Die heiße Fotosphäre sendet ein kontinuierliches Spektrum aus; darüber liegt kühleres Gas. Dringt das Sonnenlicht durch diese Schichten, absorbieren die Atome genau jene Wellenlängen, die zu ihren Energieabständen passen. Dabei nimmt ein Elektron Energie auf und wechselt auf ein höheres Niveau. Die entsprechende Wellenlänge fehlt danach im Spektrum. So entstehen dunkle Linien genau dort, wo im Bunsenbrenner im Labor helle erschienen.

Fraunhofers Spektralkarte erwies sich so als Schlüssel zum chemischen Code des Sternenlichts

Aber auch ohne Kenntnis des dahinterstehenden atomaren Mechanismus war Kirchhoffs Erkenntnis bahnbrechend. Bedeutete jede Übereinstimmung zwischen einer dunklen Fraunhoferlinie und einer hellen Laborlinie doch, dass dieses Element auch in der Sonnenatmosphäre vorhanden sein muss. Fraunhofers Spektralkarte erwies sich so als Schlüssel zum chemischen Code des Sternenlichts.

1864 untersuchte der englische Astronom William Huggins (1824–1910) das Licht mehrerer Sterne mit einem Spektroskop und wies darin Wasserstoff, Natrium, Eisen und Calcium nach. Am 18. August 1868 beobachtete der französische Astronom Pierre Janssen (1824–1907) im indischen Guntur eine totale Sonnenfinsternis. Mit seinem Spektroskop nahm er die Protuberanzen ins Visier. Diese glühenden Gasfontänen aus der Sonnenatmosphäre, die normalerweise vom grellen Licht der Sonnenscheibe überstrahlt werden, wurden hier einmal sichtbar, da der Mond die Scheibe verdeckte. Im Spektroskop zeigte ihr Licht helle Linien – genau dort, wo Fraunhofer dunkle verzeichnet hatte. Für einen Moment wurde die Sonnenatmosphäre damit zu einer Art Laborflamme hoch am Himmel: Man sah das Eigenlicht ihrer Elemente, ganz so wie bei Bunsen im Brenner.

Die Entdeckung des Heliums

Im Spektrum der Protuberanzen bemerkte Janssen jedoch auch einen hellen gelben Strich, der mit keiner bis dahin bekannten Linie zusammenfiel. Das konnte nur eines bedeuten: Im Sonnengas gab es ein noch unbekanntes Element. Wenige Monate später sah der Engländer Norman Lockyer (1836–1920) dieselbe Linie und schlug den Namen Helium vor – benannt nach Helios, dem griechischen Sonnengott. Auf der Erde wurde das neue Element erst 27 Jahre später gefunden.

Fraunhofers Linien erwiesen sich jedoch nicht nur als chemischer Fingerabdruck. Noch in den 1860er-Jahren wurde klar: Sie können auch verraten, wie sich ein Stern relativ zur Erde bewegt. Nähert er sich der Erde, verschieben sich seine Spektrallinien gegenüber der Laborposition ins Blaue; entfernt er sich, ist eine Rotverschiebung die Folge.

1912 richtete der US-Amerikaner Vesto Slipher (1875–1969), Astronom am Lowell Observatory in Arizona, sein Spektroskop auf Spiralnebel. Anhand der Verschiebung der Spektrallinien in ihrem Licht konnte er ihre Bewegungsrichtung bestimmen. Bei den meisten verschoben sich die Linien ins Rote. Sie bewegten sich also von der Erde fort.

Fraunhofer und die Expansion des Weltalls

In den 1920er-Jahren entdeckte der kalifornische Astronom Edwin Hubble (1889–1953) in einigen dieser Nebel sogenannte Cepheiden. Die Helligkeit dieser Sterne schwankt streng periodisch. Aus der Helligkeit und dem Pulsationsrhythmus lässt sich ihre Entfernung berechnen. Als Astronomen die so bestimmten Entfernungen der Spiralnebel mit den aus der Verschiebung ihrer Spektrallinien ermittelten Geschwindigkeiten verglichen, zeigte sich ein Zusammenhang: Je ferner eine Galaxie ist, desto schneller entfernt sie sich von uns. Die von Fraunhofer zu Beginn des 19. Jahrhunderts vermessenen dunklen Linien führten nun zu einer der folgenreichsten Einsichten der Kosmologie überhaupt: Das Universum dehnt sich aus.

Von der Grundsteuerreform über die Entdeckung des Heliums bis zur Expansion des Kosmos. Die Geschichte des Joseph Fraunhofer steht beispielhaft dafür, wie wissenschaftliche Entdeckungen oft verlaufen. Viele beginnen nicht mit großen Visionen, sondern mit einem Lösungsversuch für ein begrenztes – und häufig ziemlich weltliches – Problem. Im weiteren Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit wächst diese Lösung dann über ihren ursprünglichen Zweck hinaus und gewinnt bisweilen eine ungeahnte Tragweite.

In Fraunhofers Fall wurde allerdings auch die ursprüngliche Aufgabe glänzend gelöst. Mit den von ihm entwickelten Objektiven wurde die bayerische Katastervermessung im Jahr 1864 erfolgreich abgeschlossen. Fortan galt Bayern als das am genauesten vermessene Land der Erde.