Vom geozentrischen Weltbild bis zur Urknalltheorie - Mai 2010 Kristina Seifert

Vom geozentrischen Weltbild
   bis zur Urknalltheorie
 Geschichtlicher Rückblick über Teleskope (bis ca. 1920)

                    5. Mai 2010
                   Kristina Seifert
                                              Mount Wilson Observatory

Übersicht
●   Das geozentrische Weltbild
●   Die kopernikanische Wende:
    die Zeit von Tycho Brahe bis Kepler
●   Newton und die Spiegelteleskope
●   Vom Planetensystem zur Milchstraße
    (Herschel)
●   Das Hubble-Gesetz und der Urknall

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Claudius Ptolemäus
(ca. 100 bis 175 n. Chr.)
             ●   sein berühmtestes
                 Werk: „Almagest“ dt.
                 „Die große
                 Zusammenstellung“
                 ●   umfasst das antike
                     Wissen über die
                     Himmelsobjekte
                 ●   Standardwerk der
                     Astronomie vom 2. bis
                     17. Jahrhundert

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Ptolemäus' geozentrisches Weltbild
                 ●   alle Planten, die Sonne
                     und der Mond bewegen
                     sich im Grunde auf
                     Kreisbahnen um die Erde
                 ●   leichte Abänderung zu
                     „Epizykelbahnen“, um mit
                     den astronomischen
                     Beobachtungen in
                     Einklang zu kommen
                 ●   Planeten an
                     Kristallschalen befestigt

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Epizykelbahn
      ●   kurzzeitig sieht es so
          aus, als laufe der Planet
          in die umgekehrte
          Richtung
      ●   Planet (z.B. Mars) sieht
          mal heller, mal dunkler
          aus (abhängig von der
          Entfernung zur Erde)
      ●   mit einfacher Kreisbahn
          nicht zu erklären

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Nikolaus Kopernikus
    (1473-1543)
         ●   sein berühmtestes
             Werk: „De
             revolutionibus“
             ●   beschreibt darin sein
                 heliozentrisches
                 Weltbild
             ●   veröffentlichte es erst
                 kurz vor seinem Tod

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Kopernikus' heliozentrisches
         Weltbild
              ●   die Erde, sowie alle
                  anderen Planeten,
                  bewegen sich auf
                  Kreisbahnen um die
                  Sonne
              ●   Erde dreht sich um
                  eigene Achse
              ●   Weltbild schon durch
                  Aristarchos von Samos
                  (310 v. Chr.) vertreten

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Gegner des heliozentrischen
                 Weltbildes
●   Ablehnung der Kirche, da sie die Einzigartigkeit der
    Erde und des Menschen gefährdet sah
●   häufiges Argument gegen das helozentrische Weltbild:
    fehlender Parallaxeneffekt
●   weitere Gegenargumente:
    ●   Bewegung der Erde müsste spürbar sein
    ●   herunterfallende Gegenstände müssten schräg fallen
●   von den Gegnern wurde Kopernikus' Weltbild meist nur
    als mathematisches Konstrukt angesehen, um die
    Berechnung der Planetenbahnen zu vereinfachen

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Parallaxeneffekt

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Tycho Brahe (1546-1601)
         ●   leitete das vom dän. König
             eigens für ihn gebaute
             Observatorium „Uranienburg“

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Tycho Brahes Verdienste
●   verfasste den umfangreichsten Sternenkatalog,
    der jemals ohne das Teleskop als Hilfsmittel
    aufgenommen wurde
●   nahm sehr gewissenhaft astronomische Daten
    auf (v.a. die Umlaufbahn des Mars)
●   hinterließ Kepler seine umfangreiche
    Datensammlung mit der dieser die
    Ellipsenbahnen der Planeten verifizieren konnte

                                                  11

Das Weltbild Tycho Brahes
             ●   Abwandlung des
                 geozentrischen
                 Weltbildes:
                 ●   Merkur und Venus kreisen
                     um die Sonne
                 ●   die Sonne selbst und alle
                     anderen Planeten kreisen
                     um die Erde
             ●   von den Gegnern des
                 heliozentrischen
                 Weltbildes gerne
                 angenommen
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Hintergründe zu den ersten
               Teleskopen
●   einfache Linsen aus geschliffenem Quarz oder
    Glas gab es schon lange vor der Erfindung des
    Teleskops
●   ab dem 13. Jahrhundert Verwendung von
    Linsen z.B. in Brillen (bzw. Monokeln)
●   erstes Teleskop 1608 erfunden von dem
    Brillenmacher Hans Lipperhey (Galileiteleskop
    mit einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse)

                                                 13

Azimutale Montierung
          ●   horizontale Achse zur
              Einstellung der Höhe
          ●   vertikale Achse zur
              Einstellung des Azimuts
          ●   Vorteile: mechanisch einfach
              und trägt große Lasten
          ●   Nachteil: bei der Nachführung
              des zu beobachtenden
              Himmelskörpers ist eine
              Drehung um beide Achsen
              nötig

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Äquatoriale Montierung
           ●   auch parallaktische
               Montierung genannt
           ●   Rektazensions-
               (/Stunden-)achse ist zum
               Horizont um den Winkel der
               geografischen Breite des
               Beobachtungsortes geneigt
           ●   darauf senkrechte
               Deklinationsachse weist zum
               Himmelsäquator
           ●   Vorteil: nur Drehung um die
               Rektazensionsachse

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Galileo Galilei (1564-1642)
              ●   Richtete als erster das
                  Teleskop in den Himmel
                  (sonst nur militärische
                  Zwecke)
              ●   seine ersten Teleskope
                  erreichten eine 20 bis
                  30-fache Vergrößerung
                  (gängige Teleskope:
                  2 bis 3-fach)
              ●   Entwicklung des ersten
                  Mikroskops
                                           16

Galileo Galileis Entdeckungen
            ●   erkannte als erster, dass
                die Milchstraße in Sterne
                aufgelöst werden konnte
            ●   erkannte und zeichnete
                die Struktur des Mondes
                recht genau (veröffentlicht
                im „Sidereus Nuncius“, dt.
                Sternenbote)
                ⇒ großer Ruhm
            ●   fand 4 Jupiter-Monde
                                         17

Galileo Galileis Entdeckungen

●   Venusphasen (er glaubte damit das heliozentrische
    Weltbild bewiesen zu haben)
●   nach Galilei lange Zeit keine großen Entdeckungen
    mehr bis Teleskope viel besser wurden
                                                        18

Das Weltbild Galileo Galileis
●   vertrat das Koperikanische Weltbild
●   lehnte Keplers Ellipsenbahnen ab und
    bevorzugte, wie einst auch Kopernikus,
    Kreisbahnen
●   interpretierte Kometen als atmosphärisches
    Phänomen, weil diese sonst sein Weltbild
    gefährdet hätten (keine Kreisbahn!)
●   bewies, dass das Ptolemäische Weltbild falsch
    ist, das von Tycho Brahe konnte er jedoch nicht
    widerlegen
                                                      19

Johannes Kepler (1571-1630)
             ●   seine drei
                 berühmtesten Werke:
                 ●   „Astronomia Nova“:
                     –   1. und 2. Kepler'sches
                         Gesetz
                 ●   „Dioptrice“:
                     –   Brechung des Lichts
                     –   optische Abbildungen
                 ●   „Harmonice Mundi“
                     –   3. Kepler'sches Gesetz
                                                20

Johannes Keplers Verdienste

●   aufgrund der Positionsdaten des Mars
    Überlegung, dass es sich um elliptische
    Planetenbahnen handelt
●   die drei Kepler'schen Gesetze
●   Bedeutung des Mondes für die Gezeiten
●   erstes Teleskop mit zwei Sammellinsen (sog.
    Keplerfernrohr)
    Besonderheit: Bild steht auf dem Kopf
                                                  21

Modell eines Kepler-Fernrohrs

●   Kombination einer Objektivlinse mit großer
    Brennweite und einer Okularlinse mit kurzer
    Brennweite
                      − f Obj
●   Vergrößerung V =
                        f Ok                      22

Das Weltbild Johannes Keplers
               ●   heliozentrisches Weltbild
               ●   elliptische Planetenbahnen
                   um die Sonne mit der Sonne
                   in einem der Fokuspunkte
               ●   modernes Bild des
                   Sonnensystems (bis auf
                   unentdeckte Planeten)
               ●   jedoch „Fixsternhimmel“ als
                   umgebende Schale, die das
                   Universum begrenzt

                                                 23

Vorteile von Spiegelteleskopen
●   im Gegensatz zu Linsenteleskopen keine
    chromatische Aberration
●   kürzerer Aufbau
●   Spiegel in nahezu beliebiger Größe herstellbar, Linsen
    sind wegen des Eigengewichts Grenzen gesetzt
●   relativ günstige Herstellungskosten
●   aber: andere Bildfehler wie Koma und Astigmatismus

                                                         24

Newton-Teleskop

●   konkaver Hauptspiegel (ursprünglich
    sphärisch, später parabolisch)
●   zur Mittelachse um 45° geneigter Fangspiegel
                                                   25

Cassegrain-Teleskop

●   konkav-parabolischer Primärspiegel
●   konvex-hyperbolischer Fangspiegel
●   rechtsseitiger Brennpunkt des Fangspiegels fällt
    mit dem Brennpunkt des Hauptspiegels
    zusammen
●   kurzer Aufbau                                      26

Nasmyth-Teleskop

●   Kombination aus Newton- und Cassegrain-Teleskop
●   konkav-parabolischer Hauptspiegel
●   konvexer Fangspiegel
●   um 45° zur Mittelachse geneigter Planspiegel, der
    das Licht zum Okular lenkt                          27

Modernes Großteleskop
          ●   Nasmyth/Cassegrain-
              Bauart (umbaubar)
          ●   azimutale Montierung
              (computergesteuert)
          ●   zwei stationäre Plattformen
          ●   verschiedene
              Messinstrumente durch
              Ummontierung des
              Sekundärspiegels
              einsetzbar (z.B.
              Spektrometer)

                                        28

Isaac Newton (1643–1727)

            ●   berühmtestes Werk:
                die „Principia“
            ●   erster Astronom, der
                seine Thesen
                physikalisch
                untermauerte

                                       29

Isaac Newtons Verdienste
●   löste das Problem der Materialwahl für Spiegel
    Spiegelmetall wurde die folgenden zwei
    Jahrhunderte genutzt
●   die drei Newtonschen Gesetze
●   Gravitation als anziehende Kraft der Sonne auf
    die Erde (statt magnetischer Kraft)
●   brachte die drei Kepler'schen Gesetze mit der
    Physik in Einklang und verifizierte sie
    ⇒ Begründer der Naturwissenschaften
                                                     30

James Bradley (1693-1762)
      ●   konnte als erster die Bewegung
          der Erde um die Sonne durch die
          Aberration des Lichts nachweisen
          ⇒ Beweis des heliozentrischen
          Weltbildes
      ●   wollte eigentlich Parallaxe eines
          Sterns zur
          Entfernungsbestimmung messen
      ●   erste Parallaxenmessung erst
          1838 durch Friedrich Wilhelm
          Bessel

                                              31

Friedrich Wilhelm Herschel
        (1738-1822)
             ●   Entwicklung immer
                 größerer Teleskope
             ●   Entdeckung des
                 Planeten Uranus
             ●   Entdeckung der
                 Infrarotstrahlung
             ●   schaffte Grundlagen
                 auf den Gebieten der
                 Nebel, Doppelsterne
                 und der Milchstraße
                                        32

Herschel-Teleskop

●   Hauptspiegel leicht gegenüber der Mittelachse
    geneigt, lenkt das Licht schräg zur Okularlinse
●   kein Sekundärspiegel nötig (damit verbundener
    Lichtverlust vermieden)                           33

Herschels Riesenteleskop
            ●   1789 fertiggestellt
            ●   Spiegeldurchmesser von 1,22
                m
            ●   über 12 m Fokuslänge
            ●   größtes Teleskop seiner Zeit
            ●   teuer und schwierig in der
                Herstellung
            ●   die größten Entdeckungen
                machte er mit anderen
                kleineren Teleskopen

                                             34

Herschel und die Nebel
●   Zahl der dokumentierten Nebel bis dahin sehr
    überschaubar (knapp über 100)
●   legte einen Katalog von 2500 Nebeln an und
    klassifizierte diese (v.a. nach der Gestalt)
●   vermutete, dass es sich bei Nebeln um große weit
    entfernte Sternenhaufen handelte, die mit den
    damaligen Mitteln noch nicht aufgelöst werden
    konnten
●   Theorie der Entstehung von Sternhaufen:
    Schwerkraft macht aus losen Haufen dichter
    gepackte Systeme ⇒ Begründer der Kosmologie
                                                       35

Andromeda-Galaxie

                            Orionnebel

                    Kugelsternhaufen M3
                                         36

Herschel und die Doppelsterne

●   listete 848 Doppelsterne
●   entdeckte die Bewegung zweier physischer
    Doppelsterne umeinander ⇒ schloss auf
    gravitative Anziehung

    ⇒ Nachweis der Newtonschen Mechanik auch
    außerhalb des Sonnensystems

                                               37

Herschel und die Milchstraße

●   Methode der Sternzählungen zur Bestimmung der
    Gestalt der Milchstraße (mit der Annahme dass die
    absolute Helligkeit aller Sterne gleich ist):
    ●   viele Sterne/Fläche → weit bis zum Rand der Milchstraße
    ●   wenige Sterne/Fläche → Rand ist nahe
●   vermutete eine linsenförmige Milchstraße mit der Sonne
    relativ nah am Zentrum                                38

Die Grand Debatte 1920
●   grundsätzliche Frage: Handelt es sich bei den
    „Spiralnebeln“ (z.B. Andromada-Nebel) um
    große eigenständige Galaxien oder sind sie ein
    kleiner Teil unserer Galaxie?
●   Harlow Shapley:
    ●   Spiralnebel Teil unserer Milchstraße
    ●   Sonne am Rand der Milchstraße
●   Heber Curtis:
    ●   Spiralnebel sind eigenständige Galaxien
    ●   Sonne im Zentrum der Milchstraße
                                                     39

Mount Wilson-Observatorium

●   wurde 1904 von George Ellery Hale gegründet
●   befindet sich in den San Gabriel Mountains in
    Kalifornien
                                                    40

Hooker-Reflektor
        ●   wurde 1917 installiert
        ●   30 Jahre lang das größte
            Teleskop der Welt
        ●   100 inch (2,54 m)
            Spiegeldurchmesser
        ●   über 15 m Fokuslänge
        ●   ca. 100 Tonnen schwer
        ●   äquatoriale Montierung

                                     41

Entdeckungen und Nachweise des
  Mount-Wilson-Observatoriums
●   Nachweis, dass die Sonne nicht im Zentrum
    der Milchstraße steht (Harlow Shapley)
●   Bestimmung der Entfernung von Galaxien
    (Edwin Hubble, Cepheidenmethode)
●   Entdeckung der Expansion des Universums
    durch die kosmologische Rotverschiebung

                                                42

Vesto Slipher (1875-1969)
            ●   arbeitete am Lowell-
                Observatorium im Arizona
            ●   beobachtete als erster die
                Radialgeschwindigkeit von
                Galaxien und trug so die
                Messdaten zusammen, die
                u.a. Hubble auswertete
            ●   entdeckte 1912 durch
                spektroskopische
                Untersuchungen der Galaxien
                erstmals die kosmologische
                Rotverschiebung

                                             43

Carl Wirtz
●   fand den Zusammenhang zwischen der
    scheinbaren Helligkeit und der
    Rotverschiebung von Nebeln

                                         44

Carl Wirtz
      ●   konnte später zeigen,
          dass daraus die
          Korrelation von
          Rotverschiebung und
          Entfernung folgt
      ●   Problem: es fehlt ein
          Maßstab, daher nur
          relative Entfernung
      ●   glaubte damit das
          statische Weltmodell de
          Sitters nachgewiesen zu
          haben
                                  45

Cepheiden-Methode
●   1923 bestimmte Edwin Hubble damit die Entfernung zur
    Andromeda-Galaxie
●   Cepheiden: „veränderliche“ Sterne, deren Helligkeit sehr
    regelmäßig in der Zeit pulsiert
●   es gilt die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung:
                    M =− 2,902 log  P − 1,203
●   aus dem Unterschied zwischen der absoluten Helligkeit M und
    der messbaren scheinbaren Helligkeit m kann man dann die
    Entfernung D bestimmen:
                          D=10m − M 5/5
●   noch heute eines der wichtigsten Werkzeuge zur
    extragalaktischen Entfernungsbestimmung
                                                                  46

Einsteins statisches Universum
●   Einstein fügte in die Feldgleichungen der ART
    eine „kosmologische Konstante“ ein, um ein
    statisches Modell des Universums zu
    ermöglichen
●   Gleichgewicht, das er damit schaffte stellte sich
    später als instabil heraus
●   revidierte seine Annahme der kosmologischen
    Konstante, nachdem Hubble 1929 ein
    expandierendes Unisversum nachgewiesen
    hatte
                                                    47

Georges Lemaitre und Alexander
               Friedmann
●   durch Anwendung des kosmologischen Prinzips
    (Homogenität und Isotropie des Raums) auf die
    ART ⇒ Friedmann-Gleichungen
●   die Lösung der Friedmanngleichungen führen
    zu einem expandierenden Universum
●   Lemaitre konnte die Steigung der Geraden
    (Zusammenhang Entfernung-
    Relativgeschwindigkeit) bestimmen
    ⇒ Hubblekonstante

                                                 48

Hubble-Relation
●   erstmals 1927 durch Georges Lemaitre formuliert
●   1929 erneut von Edwin Hubble veröffentlicht
                        v≈ H 0⋅D           v=c⋅z
    wobei v die „Fluchtgeschwindigkeit“ ist und z die
    Rotverschiebung
●   Die Hubblekonstante H 0 von Lemaitre auf
            km                                      km
    575   s MPc   geschätzt, von Hubble auf 500   s MPc
                            km
    heutiger Wert: 70     s MPc

●   daraus moderne Abschätzung für Alter des
    Universums: 13,7 Milliarden Jahre ( t =1/ H 0 )       49

Literatur
●   John North: Cosmos – An illustrated history of
    astronomy and cosmology
●   Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009):
    Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung
●   Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009):
    Das Gesetz der Expansion wird 80
●   Fritz Krafft (Regiomontanusbote 2/2010):
    Friedrich Wilhelm Herschel – Innovation durch
    einen Außenseiter
                                                     50

Abbildungsverzeichnis
●   Folie 1: Webcam Mount Wilson
●   Folie 3: http://de.wikipedia.org/wiki/Claudius_Ptolem%C3%A4us
●   Folie 4: http://www.fherrgen.de/Down/Karikaturen/weltbild/WeltbildPtolemaeus150nach.jpg
●   Folie 5: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/69/EpizykelBahn.png
●   Folie 6: http://www.frombork.art.pl/Frombork-foto/k3.JPG
●   Folie 7: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
    title=Datei:De_Revolutionibus_manuscript_p9b.jpg&filetimestamp=20090502015023
●   Folie 9: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/df/ParallaxeV2.png
●   Folie 10: Tycho Brahe http://www.hps.cam.ac.uk/starry/tycho.html Uranienburg
    http://www.vobam.se/Bilder/ven7.jpg
●   Folie 12: Cosmos S. 331
●   Folie 14: http://www.kepler-gesellschaft.de/Kepler-
    Foerderpreis/2006/Platz1_Faecheruebergreifend/Technik.html
●   Folie 15: http://www.astronomie.de/technik/montierung/montierung.htm
●   Folie 16: http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/224058/94989/Justus-Sustermans-
    portrait-of-Galileo-Galilei-date-unknown-oil-on
                                                                                              51

Abbildungsverzeichnis
●   Folie 17: Cosmos S. 362
●   Folie 18: http://www.venusfan.de/Phasen/Venuszyklus5.jpg
●   Folie 20: http://www.stkate.edu/physics/PHYS104SS/Block1/index.html
●   Folie 22: http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ph3_0203/p323_l03.htm
●   Folie 23: http://www.techfreaq.de/physikKepler.htm
●   Folie 25: Cosmos S. 388
●   Folie 26: Cosmos S. 388
●   Folie 27: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Nasmyth-
    Telescope.svg&filetimestamp=20051118163707
●   Folie 29:
    http://www.wikiwak.com/wak/Commons:File:Sir_Isaac_Newton_by_Sir_Godfrey_Kneller,_Bt.jpg
●   Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Aberration.png
●   Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
    title=Datei:William_Herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153
●   Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Herschel-
    Lomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516
●   Folie 34: Cosmos S. 441

                                                                                              52

Abbildungsverzeichnis
●   Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Aberration.png
●   Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
    title=Datei:William_Herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153
●   Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Herschel-
    Lomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516
●   Folie 34: Cosmos S. 441
●   Folie 36: Andromeda-Galaxie http://www.guido-kueppers.de/images/fullsize/M31_2007-09-08.jpg
    Orion-Nebel http://www.pflichtlektuere.com/07/07/2009/blick-vom-ruhrgebiet-in-den-
    himmel/orionnebel/ Kugelsternhaufen M3
    http://www.astrotec.org/CMO_Astrobilder/Kugelsternhaufen/slides/M3_190407_SF-
    2B_5m_LH_1024X682.html
●   Folie 38: Cosmos S. 447
●   Folie 40: http://hometown-pasadena.com/talk-of-our-towns/mt-wilson-threatened-station-fire-
    update/
●   Folie 41: http://www.astrosurf.com/re/history_telescope.html
●   Folie 43: http://www.aip.org/history/cosmology/ideas/larger-image-pages/pic-expanding-
    slipher.htm
●   Folie 44/45: Artikel Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung

                                                                                                  53

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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