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Wie misst man die Entfernung zu den Sternen? - Friedrich Bessel und der Durchbruch der trigonometrischen Parallaxe | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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  Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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  2000 Jahre lang schien der Nachthimmel eine feste
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  Kugel zu sein. Die alten Griechen argumentierten
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  bereits, dass sich nahe Sterne gegenüber weiter
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  Entfernten verschieben müssten, wenn die Erde
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  um die Sonne wandert. Da sich diese Verschiebung
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  niemals zeigte, galt die unbewegliche Erde als
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  bewiesen. Die Logik war schlüssig, doch das Problem
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  lag im Maßstab. Die Sterne sind schlicht unvorstellbar
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  weit entfernt. Diese Episode verfolgt den historischen
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  und methodischen Weg, wie die Astronomie diese
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  gewaltigen Distanzen endlich entschlüsselte.
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  Von Friedrich Besses akribischer Messung der
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  trigonometrischen Parallaxe im Jahr 1888 Über
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  Henrietta Learwitz' Entdeckung der Zepheiden
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  als kosmische Standardkerzen bis hin zu Edwin
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  Hubbles Nachweis, dass Andromeda eine eigenständige
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  Galaxie ist. Jede dieser Stufen der kosmischen
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  Entfernungsleiter erweiterte unser Bild vom Universum.
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  Und jede Korrektur, wie Walter Bades Erkenntnis
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  über zwei verschiedene Zepheidentypen, verdoppelte
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  dessen wahre Größe schlagartig. Bei der Arbeit
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  an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu
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  einer faszinierenden Erkenntnis zurück. Unser
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  Wissen wächst nicht durch eine einzige perfekte
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  Beobachtung, sondern durch ständige Korrekturen.
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  Selbst heute, da Satelliten wie Gaia Milliarden
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  von Sternen mit unerreichter Präzision vermessen,
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  offenbart die Hubbelspannung einen tiefen Riss
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  in unserem kosmologischen Modell. Die Messung
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  geht weiter und vielleicht stehen wir am Beginn
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  einer weiteren grundlegenden Erweiterung unseres
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  Verständnisses. Seit 2000 Jahren galt das Fehlen
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  einer einzigen sichtbaren Verschiebung der Sterne
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  als Beweis dafür, dass die Erde stillstand. Vollkommen
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  vernünftig, vollkommen falsch und vollkommen
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  unsichtbar für jedes jemals gebaute Instrument.
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  Bis ein Mann in Königsberg sich fragte, nicht,
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  ob die Sterne sich bewegten, sondern ob sein
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  Teleskop endlich gut genug war, sie dabei zu
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  attacken. Stellen Sie sich vor, Sie stehen nachts
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  auf einem Feld und blicken hinauf zu den Sternen.
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  Die hellsten scheinen zum Greifen nah. Die schwächeren
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  wirken weiter entfernt. Aber wie viel weiter?
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  Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte
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  konnte das niemand sagen. Die Sterne waren einfach
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  da oben. Und über ihre Entfernungen ließ sich
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  nur raten. Das lag nicht an mangelndem Versuch.
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  Die alten Glichen verstanden bereits, wenn die
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  Erde um die Sonne wandert, müssten nahe Sterne
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  sich gegenüber weiter entfernten verschieben,
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  sobald wir unsere Position ändern. Sie suchten
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  nach dieser Verschiebung. Sie fanden nichts.
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  Über Jahrhunderte galt dieses Fehlen als Beleg
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  dafür, dass die Erde stillstand. Die Logik war
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  flüssig. Wenn wir uns bewegten, müssten wir Bewegung
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  sehen. Wir sehen keine Bewegung. Also bewegen
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  wir uns nicht. Es war vernünftig. Es war falsch.
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  Das Problem war nicht die Logik. Es war der Maßstab.
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  Die Sterne waren nicht bewegungslos. Sie waren
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  schlicht so weit entfernt, dass die Verschiebung
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  für das menschliche Auge unsichtbar war. Und
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  lange Zeit auch für jedes jemals gebaute Instrument.
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  Der Riss in diesem vernünftigen Glauben war subtil.
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  Das Fehlen eines Beweises ist kein Beweis des
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  Fehlens. Aber nur, wenn der Beweis tatsächlich
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  fehlt. Was, wenn die Instrumente einfach nicht
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  gut genug waren? Dieser Riss würde 2000 Jahre
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  brauchen, um zu einem Bruch zu werden. Als es
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  schließlich geschah, würde alles, was wir über
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  die Größe des Universums zu wissen glaubten,
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  zusammenbrechen und sich neu aufbauen. Wieder
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  und wieder. Jedes Mal größer als zuvor. Der erste
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  Mensch, der wirklich durchbrach, suchte nicht
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  nach kosmischer Größe. Friedrich Besse. der in
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  den 1830er Jahren in Königsberg arbeitete, war
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  ein akribischer Beobachter mit einem neuen Werkzeug,
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  einem Heliometer, im Wesentlichen ein Teleskop
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  mit geteilter Linse, das winzige Abstände zwischen
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  Sternen mit außerordentlicher Präzision messen
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  konnte. Er wählte sein Ziel sorgfältig. 61 Cygni
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  war ein schwacher Stern. Aber er bewegte sich
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  im Vergleich zu seinen Nachbarn rasch über den
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  Himmel. Das deutete darauf hin, dass er nahe
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  sein könnte. Über ein Jahr lang maß Bessel seine
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  Position im Verhältnis zu zwei noch schwächeren
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  Sternen. Er wartete darauf, dass die Erdbahn
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  ihn von einer Seite der Sonne zur anderen tragen
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  würde. 1838 verkündete er sein Ergebnis. Der
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  Stern hatte sich verschoben. Der Winkel war winzig.
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  Etwa ein Drittel einer Bogensekunde. Die scheinbare
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  Größe eines 10 -Cent -Stücks aus drei Kilometern
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  Entfernung. Aber er war real. Die Entfernung
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  ergab sich zu rund 10 ,5 Lichtjahren mit einer
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  Unsicherheit von weniger als einem Lichtjahr.
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  Innerhalb weniger Monate fanden zwei andere Astronomen,
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  Thomas Henderson und Friedrich Stuwe, ähnliche
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  Verschiebungen bei anderen Sternen. Das kopernikanische
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  System wurde nicht durch Philosophie bestätigt,
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  sondern durch Messung. Die Sterne waren nicht
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  fest. Sie waren schlicht unvorstellbar weit entfernt.
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  Doch dieser Triumph offenbarte sofort eine Grenze.
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  Bessels Methode, die trigonometrische Parallaxe,
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  konnte nur die nächsten Sterne erreichen. Jenseits
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  von ein paar hundert Lichtjahren wurde die Verschiebung
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  selbst für die besten Instrumente auf der Erde
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  zu klein. Das Universum hatte seine ersten Entfernungen
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  preisgegeben, aber der größte Teil blieb unerreichbar.
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  Die Astronomen brauchten etwas anderes. Etwas,
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  das nicht davon abhing, Winkel von gegenüberliegenden
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  Seiten der Erdbahn zu messen. Sie fanden es im
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  Sternenlicht selbst. Bis zum frühen 20. Jahrhundert
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  hatten Astronomen gelernt, Sternenlicht in Regenbögen
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  aufzufächern, in Specken, und die Muster dunkler
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  und heller Linien darin zu lesen. Dabei bemerkten
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  sie etwas Merkwürdiges. Sterne mit ähnlicher
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  Farbe und ähnlichem Spektralmuster schienen eine
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  ähnliche intrinsische Helligkeit zu besitzen.
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  Wenn man die wahre Leuchtkraft eines Sterns kannte
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  und maß, wie schwach er von der Erde aus erschien,
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  konnte man berechnen, wie weit entfernt er sein
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  musste. Das war die spektroskopische Parallaxe
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  und sie war ein Sprung der Vorstellungskraft.
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  Die Astronomen maßen nicht länger direkt Geometrie.
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  Sie nutzten Physik. Das Verständnis, woraus Sterne
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  bestehen, wie heiß sie brennen, wie hell sie
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  leuchten. um Entfernungen indirekt abzuleiten.
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  Die Methode war für einzelne Sterne weniger präzise,
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  oft mit einer Unsicherheit von 20 oder 30 Prozent.
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  Wenn ein Stern auf 1000 Lichtjahre Entfernung
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  berechnet wurde, konnte seine wahre Entfernung
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  irgendwo zwischen 700 und 1300 Lichtjahren liegen.
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  Genug Unsicherheit, um die Gestalt der Galaxie
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  zu verschlimmen, aber nicht genug, um sie vollständig
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  zu verbergen. Doch sie funktionierte für tausende
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  Sterne in der ganzen Galaxie, nicht nur für Dutzende
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  in der Sonnenumgebung. Sie ermöglichte die ersten
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  echten Karten der Struktur der Milchstraße. Harlow
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  Shapley nutzte sie, um zu zeigen, dass unsere
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  Sonne weit vom Zentrum eines gewaltigen Sternensystems
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  entfernt liegt. einer Scheibe aus Sternen von
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  vielleicht 300 .000 Lichtjahren Durchmesser.
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  Eine Zeit lang schien dies das gesamte Universum
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  zu sein. Die Milchstraße war alles. Die spiralnebelverschwommene
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  Flecken in Teleskopen waren lediglich Gaswolken
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  innerhalb von ihr. So glaubten viele. Auch dieser
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  Glaube würde zerbrechen. Und das Werkzeug seines
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  Zerbrechens war eine Entdeckung, die eine Frau
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  beim Untersuchen fotografischer Platten am Harvard
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  College Observatorium machte. Henrietta Leavitt
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  war dem Titel nach keine Astronomin. Sie war
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  eine Computerin, eine von vielen Frauen, die
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  für bescheidenen Lohn die Helligkeit von Sternen
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  auf Glasplatten katalogisierten und maßen. In
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  ihren freien Momenten untersuchte sie veränderliche
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  Sterne in der kleinen Magel -Anschen -Wolke.
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  einem verschwommenen Fleck am Südhimmel. Diese
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  Sterne, Sephaiden, pulsierten in ihrer Helligkeit
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  und Le 'evit bemerkte etwas Tiefgreifendes. Die
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  helleren pulsierten langsamer, die schwächeren
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  schneller. Da alle diese Sterne in derselben
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  Wolke lagen, in ungefähr derselben Entfernung,
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  spiegelte ihre scheinbare Helligkeit ihre wahre
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  Helligkeit wieder. Leavitt hatte eine Uhr gefunden,
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  deren Taktgeschwindigkeit ihre Leuchtkraft verriet.
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  Das war 1912. Ein Jahrzehnt später richtete Edwin
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  Hubble, der mit dem neuen 100 -Zoll -Teleskop
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  auf dem Mount Wilson arbeitete, dessen Lichtsammelkraft
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  auf den Andromeda -Nebel. Er fand dort Siphaiden.
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  Er maß ihre Perioden. Er wandte Leavitts Beziehung
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  an. Die Entfernung ergab sich zu rund 900 .000
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  Lichtjahren. Eine Zahl, die später verfeinert
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  wurde, aber selbst die erste Schätzung platzierte
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  Andromeda weit jenseits von Shepleys 300 .000
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  Lichtjahren großer Milchstraße. Andromeda war
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  keine Gaswolke. Sie war eine Galaxie. Eine Sternenstadt
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  wie unsere eigene, getrennt durch einen Abgrund
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  leeren Haums. Das Universum. war keine einzelne
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  Insel. Es war ein Archipel aus Inseln, das sich
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  weiter erstreckte, als irgendjemand sich vorzustellen
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  gewagt hatte. Die Inseluniversum -Hypothese war
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  bestätigt. Die Milchstraße wurde von der Gesamtheit
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  des Seins zu einem Mitglied einer gewaltigen
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  Population herabgestuft. Es war eine demütigende
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  Korrektur, und sie wurde durch die geduldige
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  Vermessung pulsierender Sterne verdient. Aber
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  die Geschichte endet nicht mit Ausdehnung. Sie
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  endet mit Präzision. Und Präzision brachte neue
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  Krisen. Jahrzehntelang kalibrierten Astronomen
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  ihre Cepheiden -Messungen anhand naher Beispiele,
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  deren Entfernungen aus Parallaxen bekannt waren.
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  Sie bauten eine Leiter aus Methoden, jede kalibriert
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  durch die darunter liegende. Cepheiden reichten
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  bis zu nahen Galaxien. Dahinter konnten Supernovae,
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  vom Typ Bia explodierende Sterne von bemerkenswert
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  gleichmäßiger Maximalhelligkeit, über Milliarden
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  Lichtjahre hinweg gesehen werden. Jede Sprosse
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  in, von der darunter liegenden ab. Jede trug
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  Unsicherheit nach oben. Dann, 1952, machte Walter
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  Bade eine Entdeckung, die die Größe des Universums
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  mit einer einzigen Korrektur nahezu verdoppelte.
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  Er erkannte, dass es zwei Arten von Cepheiden
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  gab. Die zur Kalibrierung der Leiter verwendeten
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  waren nicht dieselben wie die in fernen Galaxien.
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  Die beiden Typen hatten unterschiedliche intrinsische
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  Helligkeiten. Die gesamte Entfernungsskala war
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  systematisch unterschätzt worden. Das Universum
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  war nicht bloß groß. Es war doppelt so groß,
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  wie sie gedacht hatten. Das war kein Versagen.
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  Es war eine Korrektur. Die Methode hatte funktioniert,
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  aber ihre Kalibrierung war auf subtile Weise
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  fehlerhaft gewesen. Einmal erkannt, ließ sich
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  der Fehler beheben. Die Leiter konnte neu aufgebaut
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  werden, stärker als zuvor. Die nächste große
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  Stärkung kam aus dem Weltraum. Die Erdatmosphäre
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  verwischt Sternenlicht. und begrenzt die Präzision
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  bodengebundener Messungen. 1989 wurde der Satellit
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  Hippakos in eine Umlaufbahn gebracht, frei von
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  atmosphärischer Verzerrung. Zum ersten Mal konnten
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  Astronomen Parallaxen für 100 .000 Sterne mit
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  einer Präzision von annähernd einem Tausendstel
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  einer Bogensekunde messen. Die nahe Sprosse der
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  Entfernungsleiter war gesichert wie nie zuvor.
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  Standardkerzen konnten neu kalibriert werden.
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  Das gesamte Gebäude wurde sicher. Dann kam Gaia,
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  gestartet 2013, noch heute in Betrieb. Dieses
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  Raumfahrzeug misst nicht bloß tausende Sterne,
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  es misst Milliarden. Für die hellsten Sterne
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  erreicht seine Präzision 20 Mikrobohmsekunden.
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  20 Millionen Stähl einer Bohmsekunde. Zum Vergleich,
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  wenn man ein menschliches Haar auf Armeslänge
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  hält, würde seine Breite etwa 10 Bogensekunden
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  überspannen. Gaia misst Winkel, die hunderttausende
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  Male feiner sind als die scheinbare Breite dieses
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  Haares. Die nächsten Sterne sind heute auf ein
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  Prozent genau bekannt. Der Plejadenhaufen, dessen
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  Entfernung jahrzehntelang umstritten war, wurde
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  endlich mit Klarheit festgelegt. Doch selbst
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  diese Präzision hat die Geschichte nicht beendet.
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  G. hat einen neuen Riss offenbart. Vielleicht
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  den beunruhigendsten seit dem Zeitalter des Kopernikus.
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  Die Entfernungsleiter, aufgebaut von Parallaxen
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  über Zephaiden bis zu Supernovae, liefert einen
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  Wert für die Expansionsrate des Universums. Die
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  Hubble -Konstante. Misst man sie aus dem frühen
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  Universum, aus dem Nachglühen des Urknalls selbst,
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  erhält man einen anderen Wert. Die Diskrepanz
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  ist nicht subtil. Sie übersteigt fünf Standardabweichungen,
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  den Goldstandard für statistische Signifikanz
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  in der Physik. In einfachen Worten, die Wahrscheinlichkeit,
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  dass diese Abweichung ein bloßer statistischer
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  Zufall ist, liegt unter 1 zu 3 ,5 Millionen.
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  Etwas ist tatsächlich nicht stimmig. Vielleicht
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  hat die Leiter einen systematischen Fehler, der
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  noch unerkannt ist. Staub, der zerfallen rötet
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  vielleicht. Oder eine Kalibrierungsdrift zwischen
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  den Methoden. Vielleicht übersehen die Messungen
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  des frühen Universums eine subtile Physik. Vielleicht,
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  und das wäre am aufregendsten, ist unser kosmologisches
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  Modell unvollständig und neue Physik wartet darauf,
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  entdeckt zu werden. Die Spannung ist real. Ihre
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  Auflösung ist es nicht. Was wir mit Zuversicht
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  sagen können, ist, dass die Entfernung zu den
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  Sternen nicht durch eine einzelne Beobachtung
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  enthüllt wurde. Sie entstand aus Geometrie, aus
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  Sternenlicht, aus explodierenden Sternen, aus
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  unabhängigen Messlinien, die über fast zwei Jahrhunderte
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  zusammenliefen. Jede Methode war notwendig, weil
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  sich die vorherige als unzureichend erwies. Jede
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  Korrektur wurde verdient. in dem man fand, was
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  übersehen worden war. Was ungewiss bleibt, ist
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  nicht, ob die Sterne Entfernungen haben, sondern
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  ob unsere präzisesten Messungen uns bereits die
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  ganze Geschichte erzählen. Die Hubbelspannung
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  liegt da, ungelöst. Eine Erinnerung daran, dass
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  selbst gefestigtes Wissen unbeantwortete Fragen
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  enthält. Die Messung geht weiter. Gaia überstreicht
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  noch immer den Himmel. Das James Webb Weltraumteleskop
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  beobachtet sie fein nun im infraroten und durchdringt
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  Staub, der frühere Instrumente getäuscht hat.
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  Neue Methoden, bedeckungsveränderliche Doppelsterne,
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  Fluktuationen der Oberflächenhelligkeit, die
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  Spitze des roten Riesenasts, fügen der Leiter
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  unabhängige Sprossen hinzu. Jede stärkt das Vertrauen.
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  Jede prüft die anderen. Die Sterne sind nicht
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  länger da oben unermesslich fern. Wir wissen,
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  wie weit sie entfernt sind und wir wissen, wie
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  wir es wissen. Der Weg von Bessels Heliometer
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  zu Gaias Katalog von Milliarden Sternen ist ein
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  Weg der Korrektur. Vom vernünftigen Glauben über
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  den gemessenen Zweifel zum verdienten Vertrauen.
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  Das Universum. wuchs von einer festen Sphäre
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  zu einem expandierenden Kosmos aus Galaxien.
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  Jeder Schritt erzwungen durch Belege, die sich
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  weigerten, in das alte Bild zu passen. Und irgendwo
• 18:23
  in diesen Belegen liegt vielleicht der Hinweis
• 18:25
  auf die nächste Korrektur, die nächste Erweiterung
• 18:29
  unseres Verständnisses. Der Riss ist sichtbar.
• 18:34
  Die Messung geht weiter. Die Geschichte ist nicht
• 18:37
  zu Ende.