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

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. 2000 Jahre lang schien der Nachthimmel eine feste Kugel zu sein. Die alten Griechen argumentierten bereits, dass sich nahe Sterne gegenüber weiter Entfernten verschieben müssten, wenn die Erde um die Sonne wandert. Da sich diese Verschiebung niemals zeigte, galt die unbewegliche Erde als bewiesen. Die Logik war schlüssig, doch das Problem lag im Maßstab. Die Sterne sind schlicht unvorstellbar weit entfernt. Diese Episode verfolgt den historischen und methodischen Weg, wie die Astronomie diese gewaltigen Distanzen endlich entschlüsselte.

0:53 Von Friedrich Besses akribischer Messung der trigonometrischen Parallaxe im Jahr 1888 Über Henrietta Learwitz' Entdeckung der Zepheiden als kosmische Standardkerzen bis hin zu Edwin Hubbles Nachweis, dass Andromeda eine eigenständige Galaxie ist. Jede dieser Stufen der kosmischen Entfernungsleiter erweiterte unser Bild vom Universum.

1:19 Und jede Korrektur, wie Walter Bades Erkenntnis über zwei verschiedene Zepheidentypen, verdoppelte dessen wahre Größe schlagartig. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer faszinierenden Erkenntnis zurück. Unser Wissen wächst nicht durch eine einzige perfekte Beobachtung, sondern durch ständige Korrekturen.

1:43 Selbst heute, da Satelliten wie Gaia Milliarden von Sternen mit unerreichter Präzision vermessen, offenbart die Hubbelspannung einen tiefen Riss in unserem kosmologischen Modell. Die Messung geht weiter und vielleicht stehen wir am Beginn einer weiteren grundlegenden Erweiterung unseres Verständnisses. Seit 2000 Jahren galt das Fehlen einer einzigen sichtbaren Verschiebung der Sterne als Beweis dafür, dass die Erde stillstand. Vollkommen vernünftig, vollkommen falsch und vollkommen unsichtbar für jedes jemals gebaute Instrument.

2:25 Bis ein Mann in Königsberg sich fragte, nicht, ob die Sterne sich bewegten, sondern ob sein Teleskop endlich gut genug war, sie dabei zu attacken. Stellen Sie sich vor, Sie stehen nachts auf einem Feld und blicken hinauf zu den Sternen. Die hellsten scheinen zum Greifen nah. Die schwächeren wirken weiter entfernt. Aber wie viel weiter?

2:49 Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte konnte das niemand sagen. Die Sterne waren einfach da oben. Und über ihre Entfernungen ließ sich nur raten. Das lag nicht an mangelndem Versuch. Die alten Glichen verstanden bereits, wenn die Erde um die Sonne wandert, müssten nahe Sterne sich gegenüber weiter entfernten verschieben, sobald wir unsere Position ändern. Sie suchten nach dieser Verschiebung. Sie fanden nichts.

3:20 Über Jahrhunderte galt dieses Fehlen als Beleg dafür, dass die Erde stillstand. Die Logik war flüssig. Wenn wir uns bewegten, müssten wir Bewegung sehen. Wir sehen keine Bewegung. Also bewegen wir uns nicht. Es war vernünftig. Es war falsch. Das Problem war nicht die Logik. Es war der Maßstab. Die Sterne waren nicht bewegungslos. Sie waren schlicht so weit entfernt, dass die Verschiebung für das menschliche Auge unsichtbar war. Und lange Zeit auch für jedes jemals gebaute Instrument.

3:58 Der Riss in diesem vernünftigen Glauben war subtil. Das Fehlen eines Beweises ist kein Beweis des Fehlens. Aber nur, wenn der Beweis tatsächlich fehlt. Was, wenn die Instrumente einfach nicht gut genug waren? Dieser Riss würde 2000 Jahre brauchen, um zu einem Bruch zu werden. Als es schließlich geschah, würde alles, was wir über die Größe des Universums zu wissen glaubten, zusammenbrechen und sich neu aufbauen. Wieder und wieder. Jedes Mal größer als zuvor. Der erste Mensch, der wirklich durchbrach, suchte nicht nach kosmischer Größe. Friedrich Besse. der in den 1830er Jahren in Königsberg arbeitete, war ein akribischer Beobachter mit einem neuen Werkzeug, einem Heliometer, im Wesentlichen ein Teleskop

4:53 mit geteilter Linse, das winzige Abstände zwischen Sternen mit außerordentlicher Präzision messen konnte. Er wählte sein Ziel sorgfältig. 61 Cygni war ein schwacher Stern. Aber er bewegte sich im Vergleich zu seinen Nachbarn rasch über den Himmel. Das deutete darauf hin, dass er nahe sein könnte. Über ein Jahr lang maß Bessel seine Position im Verhältnis zu zwei noch schwächeren Sternen. Er wartete darauf, dass die Erdbahn ihn von einer Seite der Sonne zur anderen tragen würde. 1838 verkündete er sein Ergebnis. Der Stern hatte sich verschoben. Der Winkel war winzig.

5:38 Etwa ein Drittel einer Bogensekunde. Die scheinbare Größe eines 10 -Cent -Stücks aus drei Kilometern Entfernung. Aber er war real. Die Entfernung ergab sich zu rund 10 ,5 Lichtjahren mit einer Unsicherheit von weniger als einem Lichtjahr. Innerhalb weniger Monate fanden zwei andere Astronomen, Thomas Henderson und Friedrich Stuwe, ähnliche Verschiebungen bei anderen Sternen. Das kopernikanische System wurde nicht durch Philosophie bestätigt, sondern durch Messung. Die Sterne waren nicht fest. Sie waren schlicht unvorstellbar weit entfernt.

6:20 Doch dieser Triumph offenbarte sofort eine Grenze. Bessels Methode, die trigonometrische Parallaxe, konnte nur die nächsten Sterne erreichen. Jenseits von ein paar hundert Lichtjahren wurde die Verschiebung selbst für die besten Instrumente auf der Erde zu klein. Das Universum hatte seine ersten Entfernungen preisgegeben, aber der größte Teil blieb unerreichbar.

6:46 Die Astronomen brauchten etwas anderes. Etwas, das nicht davon abhing, Winkel von gegenüberliegenden Seiten der Erdbahn zu messen. Sie fanden es im Sternenlicht selbst. Bis zum frühen 20. Jahrhundert hatten Astronomen gelernt, Sternenlicht in Regenbögen aufzufächern, in Specken, und die Muster dunkler und heller Linien darin zu lesen. Dabei bemerkten sie etwas Merkwürdiges. Sterne mit ähnlicher Farbe und ähnlichem Spektralmuster schienen eine ähnliche intrinsische Helligkeit zu besitzen.

7:25 Wenn man die wahre Leuchtkraft eines Sterns kannte und maß, wie schwach er von der Erde aus erschien, konnte man berechnen, wie weit entfernt er sein musste. Das war die spektroskopische Parallaxe und sie war ein Sprung der Vorstellungskraft. Die Astronomen maßen nicht länger direkt Geometrie. Sie nutzten Physik. Das Verständnis, woraus Sterne bestehen, wie heiß sie brennen, wie hell sie leuchten. um Entfernungen indirekt abzuleiten.

7:58 Die Methode war für einzelne Sterne weniger präzise, oft mit einer Unsicherheit von 20 oder 30 Prozent. Wenn ein Stern auf 1000 Lichtjahre Entfernung berechnet wurde, konnte seine wahre Entfernung irgendwo zwischen 700 und 1300 Lichtjahren liegen. Genug Unsicherheit, um die Gestalt der Galaxie zu verschlimmen, aber nicht genug, um sie vollständig zu verbergen. Doch sie funktionierte für tausende Sterne in der ganzen Galaxie, nicht nur für Dutzende in der Sonnenumgebung. Sie ermöglichte die ersten echten Karten der Struktur der Milchstraße. Harlow Shapley nutzte sie, um zu zeigen, dass unsere Sonne weit vom Zentrum eines gewaltigen Sternensystems entfernt liegt. einer Scheibe aus Sternen von vielleicht 300 .000 Lichtjahren Durchmesser.

8:53 Eine Zeit lang schien dies das gesamte Universum zu sein. Die Milchstraße war alles. Die spiralnebelverschwommene Flecken in Teleskopen waren lediglich Gaswolken innerhalb von ihr. So glaubten viele. Auch dieser Glaube würde zerbrechen. Und das Werkzeug seines Zerbrechens war eine Entdeckung, die eine Frau beim Untersuchen fotografischer Platten am Harvard College Observatorium machte. Henrietta Leavitt war dem Titel nach keine Astronomin. Sie war eine Computerin, eine von vielen Frauen, die für bescheidenen Lohn die Helligkeit von Sternen auf Glasplatten katalogisierten und maßen. In ihren freien Momenten untersuchte sie veränderliche Sterne in der kleinen Magel -Anschen -Wolke.

9:45 einem verschwommenen Fleck am Südhimmel. Diese Sterne, Sephaiden, pulsierten in ihrer Helligkeit und Le 'evit bemerkte etwas Tiefgreifendes. Die helleren pulsierten langsamer, die schwächeren schneller. Da alle diese Sterne in derselben Wolke lagen, in ungefähr derselben Entfernung, spiegelte ihre scheinbare Helligkeit ihre wahre Helligkeit wieder. Leavitt hatte eine Uhr gefunden, deren Taktgeschwindigkeit ihre Leuchtkraft verriet.

10:17 Das war 1912. Ein Jahrzehnt später richtete Edwin Hubble, der mit dem neuen 100 -Zoll -Teleskop auf dem Mount Wilson arbeitete, dessen Lichtsammelkraft auf den Andromeda -Nebel. Er fand dort Siphaiden. Er maß ihre Perioden. Er wandte Leavitts Beziehung an. Die Entfernung ergab sich zu rund 900 .000 Lichtjahren. Eine Zahl, die später verfeinert wurde, aber selbst die erste Schätzung platzierte Andromeda weit jenseits von Shepleys 300 .000 Lichtjahren großer Milchstraße. Andromeda war keine Gaswolke. Sie war eine Galaxie. Eine Sternenstadt wie unsere eigene, getrennt durch einen Abgrund leeren Haums. Das Universum. war keine einzelne Insel. Es war ein Archipel aus Inseln, das sich weiter erstreckte, als irgendjemand sich vorzustellen

11:15 gewagt hatte. Die Inseluniversum -Hypothese war bestätigt. Die Milchstraße wurde von der Gesamtheit des Seins zu einem Mitglied einer gewaltigen Population herabgestuft. Es war eine demütigende Korrektur, und sie wurde durch die geduldige Vermessung pulsierender Sterne verdient. Aber die Geschichte endet nicht mit Ausdehnung. Sie endet mit Präzision. Und Präzision brachte neue Krisen. Jahrzehntelang kalibrierten Astronomen ihre Cepheiden -Messungen anhand naher Beispiele, deren Entfernungen aus Parallaxen bekannt waren.

11:53 Sie bauten eine Leiter aus Methoden, jede kalibriert durch die darunter liegende. Cepheiden reichten bis zu nahen Galaxien. Dahinter konnten Supernovae, vom Typ Bia explodierende Sterne von bemerkenswert gleichmäßiger Maximalhelligkeit, über Milliarden Lichtjahre hinweg gesehen werden. Jede Sprosse in, von der darunter liegenden ab. Jede trug Unsicherheit nach oben. Dann, 1952, machte Walter Bade eine Entdeckung, die die Größe des Universums mit einer einzigen Korrektur nahezu verdoppelte.

12:31 Er erkannte, dass es zwei Arten von Cepheiden gab. Die zur Kalibrierung der Leiter verwendeten waren nicht dieselben wie die in fernen Galaxien. Die beiden Typen hatten unterschiedliche intrinsische Helligkeiten. Die gesamte Entfernungsskala war systematisch unterschätzt worden. Das Universum war nicht bloß groß. Es war doppelt so groß, wie sie gedacht hatten. Das war kein Versagen.

13:00 Es war eine Korrektur. Die Methode hatte funktioniert, aber ihre Kalibrierung war auf subtile Weise fehlerhaft gewesen. Einmal erkannt, ließ sich der Fehler beheben. Die Leiter konnte neu aufgebaut werden, stärker als zuvor. Die nächste große Stärkung kam aus dem Weltraum. Die Erdatmosphäre verwischt Sternenlicht. und begrenzt die Präzision bodengebundener Messungen. 1989 wurde der Satellit Hippakos in eine Umlaufbahn gebracht, frei von atmosphärischer Verzerrung. Zum ersten Mal konnten Astronomen Parallaxen für 100 .000 Sterne mit einer Präzision von annähernd einem Tausendstel einer Bogensekunde messen. Die nahe Sprosse der Entfernungsleiter war gesichert wie nie zuvor.

13:57 Standardkerzen konnten neu kalibriert werden. Das gesamte Gebäude wurde sicher. Dann kam Gaia, gestartet 2013, noch heute in Betrieb. Dieses Raumfahrzeug misst nicht bloß tausende Sterne, es misst Milliarden. Für die hellsten Sterne erreicht seine Präzision 20 Mikrobohmsekunden. 20 Millionen Stähl einer Bohmsekunde. Zum Vergleich, wenn man ein menschliches Haar auf Armeslänge hält, würde seine Breite etwa 10 Bogensekunden überspannen. Gaia misst Winkel, die hunderttausende Male feiner sind als die scheinbare Breite dieses Haares. Die nächsten Sterne sind heute auf ein Prozent genau bekannt. Der Plejadenhaufen, dessen Entfernung jahrzehntelang umstritten war, wurde endlich mit Klarheit festgelegt. Doch selbst

14:54 diese Präzision hat die Geschichte nicht beendet. G. hat einen neuen Riss offenbart. Vielleicht den beunruhigendsten seit dem Zeitalter des Kopernikus. Die Entfernungsleiter, aufgebaut von Parallaxen über Zephaiden bis zu Supernovae, liefert einen Wert für die Expansionsrate des Universums. Die Hubble -Konstante. Misst man sie aus dem frühen Universum, aus dem Nachglühen des Urknalls selbst, erhält man einen anderen Wert. Die Diskrepanz ist nicht subtil. Sie übersteigt fünf Standardabweichungen, den Goldstandard für statistische Signifikanz in der Physik. In einfachen Worten, die Wahrscheinlichkeit, dass diese Abweichung ein bloßer statistischer Zufall ist, liegt unter 1 zu 3 ,5 Millionen.

15:44 Etwas ist tatsächlich nicht stimmig. Vielleicht hat die Leiter einen systematischen Fehler, der noch unerkannt ist. Staub, der zerfallen rötet vielleicht. Oder eine Kalibrierungsdrift zwischen den Methoden. Vielleicht übersehen die Messungen des frühen Universums eine subtile Physik. Vielleicht, und das wäre am aufregendsten, ist unser kosmologisches Modell unvollständig und neue Physik wartet darauf, entdeckt zu werden. Die Spannung ist real. Ihre Auflösung ist es nicht. Was wir mit Zuversicht sagen können, ist, dass die Entfernung zu den Sternen nicht durch eine einzelne Beobachtung enthüllt wurde. Sie entstand aus Geometrie, aus Sternenlicht, aus explodierenden Sternen, aus unabhängigen Messlinien, die über fast zwei Jahrhunderte

16:38 zusammenliefen. Jede Methode war notwendig, weil sich die vorherige als unzureichend erwies. Jede Korrektur wurde verdient. in dem man fand, was übersehen worden war. Was ungewiss bleibt, ist nicht, ob die Sterne Entfernungen haben, sondern ob unsere präzisesten Messungen uns bereits die ganze Geschichte erzählen. Die Hubbelspannung liegt da, ungelöst. Eine Erinnerung daran, dass selbst gefestigtes Wissen unbeantwortete Fragen enthält. Die Messung geht weiter. Gaia überstreicht noch immer den Himmel. Das James Webb Weltraumteleskop beobachtet sie fein nun im infraroten und durchdringt Staub, der frühere Instrumente getäuscht hat.

17:27 Neue Methoden, bedeckungsveränderliche Doppelsterne, Fluktuationen der Oberflächenhelligkeit, die Spitze des roten Riesenasts, fügen der Leiter unabhängige Sprossen hinzu. Jede stärkt das Vertrauen. Jede prüft die anderen. Die Sterne sind nicht länger da oben unermesslich fern. Wir wissen, wie weit sie entfernt sind und wir wissen, wie wir es wissen. Der Weg von Bessels Heliometer zu Gaias Katalog von Milliarden Sternen ist ein Weg der Korrektur. Vom vernünftigen Glauben über den gemessenen Zweifel zum verdienten Vertrauen.

18:09 Das Universum. wuchs von einer festen Sphäre zu einem expandierenden Kosmos aus Galaxien. Jeder Schritt erzwungen durch Belege, die sich weigerten, in das alte Bild zu passen. Und irgendwo in diesen Belegen liegt vielleicht der Hinweis auf die nächste Korrektur, die nächste Erweiterung unseres Verständnisses. Der Riss ist sichtbar.

18:34 Die Messung geht weiter. Die Geschichte ist nicht zu Ende.