Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie - Rotverschiebung  

Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

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Interessierte: Rotverschiebung

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Inhalt

In diesem Artikel wird das Phänomen der Rotverschiebung und ihre gängigen Interpretationen vorgestellt: Aus dem Licht ferner Galaxien lassen sich Informationen über die Dynamik des Universums gewinnen. Nach der gängigen Interpretation der Rotverschiebung dehnt sich das Universum aus. Das passt gut zum Standardmodell (Urknallmodell) und ist eine seiner Stützen.

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evolution, schöpfung Ist die Deutung im Sinne des Doppler-Effektes korrekt?

evolution, schöpfung Was bedeutet diese Sichtweise für das Verständnis des Universums?

evolution, schöpfung Gibt es noch andere Interpretationen der Rotverschiebung?

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Was ist Rotverschiebung?

 

Das Sternenlicht bzw. das Licht von fernen Galaxien lässt sich durch ein Spektrometer wie beim Regenbogen in seine Spektralfarben zerlegen. Das kontinuierliche Farbspektrum wird darin durch sog. Absorptionslinien (Abb. 110) unterbrochen.

 
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Diese entstehen dadurch, dass Gase, welche die Sterne umhüllen, einen Teil des Lichtspektrums „abfangen“ (absorbieren). Es zeigt sich, dass diese Absorptionslinien bei fast allen Galaxien gegenüber Eichspektren auf der Erde zu längeren, röteren Wellenlängen verschoben sind (Abb. 111). Man sagt, die Galaxie sei rotverschoben. Dabei ist das Maß der Rotverschiebung durchweg sehr unterschiedlich. Bei einigen Objekten ist sie kaum merklich, während sie bei anderen Objekten eine bestimmte Absorptionslinie um bis das Fünffache und mehr ihrer ursprünglichen Wellenlänge verschoben sein kann. Ausnahmen bezüglich der Rotverschiebung beziehen sich nur auf sehr nahe, spezielle Galaxien, so weist z.B. unsere große Nachbargalaxie Andromeda sog. Blauverschiebung auf. Das ist der gegenteilige Effekt der Rotverschiebung, d.h. die Absorptionslinien sind zu kürzeren Wellenlängen verschoben.

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Das Hubble-Gesetz

Dass das Licht der allermeisten Galaxien rotverschoben ist, entdeckte man anfangs des letzten Jahrhunderts (siehe Historische Entwicklung der modernen Kosmologie). Die Rotverschiebung wurde schon sehr bald als „Doppler-Effekt“ interpretiert. Dieser Effekt sagt aus, dass wenn sich eine Lichtquelle auf uns zu bewegt, die Wellenlänge des Lichtes kürzer erscheint (Blauverschiebung; sie wird sozusagen gestaucht), und wenn sich eine Lichtquelle von uns fortbewegt, die Wellenlänge länger erscheint (Rotverschiebung). Danach wurde die Rotverschiebung der Galaxien als „Fluchtbewegung“ interpretiert. Je stärker eine Galaxie rotverschoben ist, desto größer ist ihre Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns weg bewegt. 1929 veröffentlichte Edwin Hubble seinen ersten Aufsatz, in welchem er die Rotverschiebung aber auch mit der Entfernung der entsprechenden Galaxie in Zusammenhang stellte. Er stellte fest, dass die Rotverschiebung einer Galaxie proportional zur Entfernung der Galaxie ist. In Formelsprache lässt sich dieses Gesetz schreiben als

D = c/H0•z,

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, D die Entfernung der Galaxie, H0 eine Konstante und z ein Maß für die Rotverschiebung einer Galaxie ist. In Worten lässt sich das Hubble-Gesetz wie folgt beschreiben: Je stärker eine Galaxie rotverschoben ist, desto weiter ist sie von der Erde entfernt und desto schneller bewegt sie sich von der Erde fort. Inzwischen wird die Rotverschiebung der Galaxien mehr oder weniger ausnahmslos in diesem Sinne gedeutet. Das Hubble-Gesetz gilt als eine der Säulen des Standardmodells der Kosmologie (Urknallmodell, siehe Standardmodell). Es ist wohl das überzeugendste Argument, dass sich unser Universum tatsächlich ausdehnt bzw. in der Vergangenheit ausgedehnt hat.

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Ist die Deutung im Sinne des Doppler-Effektes korrekt?

 

Die Antwort auf diese Frage lautet „Nein“. Dennoch wird die Rotverschiebung häufig anhand des Doppler-Effektes eingeführt und erklärt. Vom didaktischen Standpunkt aus mag das sinnvoll sein, in einer detaillierteren Betrachtung ist diese Deutung aber nicht mehr zulässig.

Ohne das im Detail zu erklären, soll angemerkt sein, dass der Doppler-Effekt mit Lichtwellen auf der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) basiert. Die SRT ist ein Spezialfall der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) und ist genau dann gültig, wenn die Gravitation von Massen nicht berücksichtigt wird. Das Universum ist aber eine gewaltige Ansammlung von Massen, womit schnell klar wird, warum die SRT für das Licht von fernen Galaxien nicht angewendet werden darf.

Das richtige Verständnis der Rotverschiebung nach dem Standardmodell gewinnt man ganz leicht: Sagen wir das Licht wird zu einem gewissen Zeitpunkt von einer fernen Galaxie emittiert (=abgegeben), die sich in einer bestimmten Distanz von uns befindet. Nun braucht das Licht eine gewisse Zeit, bis es auf der Erde ankommt. In dieser Zeit dehnt sich das Universum weiter aus. Nehmen wir an, dass sich die Größe des Universums verdoppelt hat, wenn das Licht schließlich auf der Erde ankommt. Dann hat sich auch die Wellenlänge des Lichtes verdoppelt. Das heißt, das Licht wird sozusagen mit der Expansion des Universums „gedehnt“. Dieser Effekt folgt automatisch aus den Gleichungen der ART und entspricht dem Gedankengut jedes Kosmologielehrbuches. Diese Interpretation der Rotverschiebung wird kosmologische Rotverschiebung genannt.

 
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Was bedeutet diese Sichtweise für das Verständnis des Universums?

 

Die Deutung der Rotverschiebung als Doppler-Effekt ist sinnvoll für nicht zu weit entfernte Galaxien. Das Hubble-Gesetz jedoch ist eine Näherung, die aus dem Doppler-Effekt folgt und ist auch nur in unserer kosmischen Umgebung sinnvoll. Für die Galaxien mit den bisher höchsten beobachteten Rotverschiebungen gilt die lineare Beziehung des Hubble-Gesetzes nicht mehr. Die exakte Beziehung zwischen der Rotverschiebung und der Distanz von Galaxien ist im Allgemeinen nicht-linear und beinhaltet die Dynamik des Universums.

Warum ist das wichtig? Wird die Rotverschiebung einer gewissen Galaxie direkt als Fluchtgeschwindigkeit interpretiert, so wird dabei etwas über die Galaxie ausgesagt, nämlich dass sie sich mit einer gewissen Geschwindigkeit von uns fortbewegte, als das Licht von ihr ausgegangen war. Wird die Rotverschiebung der Galaxie hingegen kosmologisch gedeutet, wird nichts darüber ausgesagt, wie schnell sich die Galaxie bewegte, als das Licht von ihr ausging, sondern nur in welchem Maße sich das Universum seither ausgedehnt hat. Wie diese Expansion verlaufen ist, das heißt, ob linear, beschleunigend, oszillatorisch (=hin und her bewegend) etc., kann dabei der Rotverschiebung nicht angesehen werden, sondern muss anderweitig erörtert werden. Insbesondere über den Zeitraum dieser Ausdehnung ist dabei noch nichts ausgesagt.

 
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Gibt es noch andere Interpretationen der Rotverschiebung?

 

Es gibt nach dem heutigen Wissen in der Physik drei Möglichkeiten, das Licht einer ganzen Galaxie zu „röten“:

  • Die kosmologische Rotverschiebung durch die Expansion des Universums.
  • Die Rotverschiebung aufgrund des Doppler-Effektes.
  • Graviationsrotverschiebung, die dadurch zustande kommt, dass sich Licht aus einem starken Gravitationspotential bewegt (z.B. bei einem Neutronenstern).

Die ersten beiden Effekte wurden bereits diskutiert. Der letzte Effekt ist bezüglich der Größenordnung von Galaxienrotverschiebungen sehr schwach und kann als Ursache der Rotverschiebungen von Galaxien nicht herangezogen werden. Im Allgemeinen ist die Rotverschiebung einer Galaxie eine Überlagerung aller dreier Effekte:

Der größte Teil wird durch die Ausdehnung des Universums beigetragen (kosmologische Rotverschiebung). Die meisten Galaxien haben aber noch zusätzlich eine „sonderbare Geschwindigkeit“, durch die sie vom generellen „Expansionstrend“ („Hubble Fluss“) abweichen. Diese macht sich durch den Doppler-Effekt bemerkbar. Zusätzlich erleidet das Licht, wenn es sich von einem Stern oder einer Galaxie bewegt, die Gravitationsrotverschiebung. Dieser Effekt ist aber im Normalfall sehr klein. Außerdem wird er dadurch ausgeglichen, indem das Licht beim Eintreten in das Gravitationsfeld unserer Milchstraße automatisch „blauverschoben“ wird.

In der Literatur werden gelegentlich noch andere Ursachen für die Rotverschiebung von Galaxien angegeben, die aber auf bislang physikalisch unkonventionellen Methoden beruhen (siehe z.B. Halton Arp). Diese Ursachen treten häufig mit dem Begriff der anomalen Rotverschiebung auf. Darunter versteht man die Rotverschiebung von Objekten, die vom Hubble-Gesetz abweichen (Anomale Rotverschiebung).

 
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Literatur

 

Peacock JA (1999) Cosmological Physics. Camebridge University Press.

 
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Weitere Fragen zu diesem Thema

 

evolution, schöpfung Das Licht von den fernsten Objekten im Kosmos benötigt teilweise viele Milliarden Jahre, um uns zu erreichen. Muss das Universum genauso alt sein, weil wir dieses Licht ja sehen können?

 
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Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 21.09.2004

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