Struve und das Olbersche Paradoxon

Sternengeschichten Folge 689: Die interstellare Auslöschung

In dieser Folge geht es um die interstellare Auslöschung. Das klingt extrem dramatisch, aber keine Sorge. Ich rede heute nicht über irgendeinen Weltuntergang. Das, was ausgelöscht wird, sind keine Planeten oder Zivilisationen. Es geht um Licht, das ausgelöscht wird und damit es nicht so extrem klingt, werde ich auch den Fachbegriff verwenden, mit dem man dieses Phänomen in der Astronomie bezeichnet - nämlich "Extinktion" - was aber auf Latein trotzdem nichts anderes bedeutet als "Auslöschung".

Wenn wir uns den Weltraum vorstellen, dann stellen wir uns meistens Nichts vor. Oder besser gesagt: Wir stellen uns schon etwas vor, aber halt einen großen, leeren Raum. Und das ist ja auch keine falsche Vorstellung. Wäre das Weltall nicht weitestgehend leer, dann könnten wir keine Sterne sehen. Das tun wir aber und wir wissen, dass sie enorm weit entfernt sind. Wenn da irgendwas zwischen uns und den Sternen ist, könnten wir sie nicht sehen. Daraus folgt: Der Raum zwischen den Sternen ist ziemlich leer, denn ansonsten würde es ihr Licht nicht bis zu uns schaffen.

Dass das aber im Detail nicht ganz richtig ist, ist den Leuten schon vergleichsweise früh klar geworden. Im Jahr 1847 hat der deutsche Astronom Friedrich Georg Wilhelm Struve ein Buch mit dem Titel „Études d’astronomie stellaire: Sur la voie lactée et sur la distance des étoiles fixes“ geschrieben. Das heißt so viel wie "Studien zur stellaren Astronomie: Über die Milchstraße und über die Entfernung der Fixsterne". Struve hat sich darin jede Menge Gedanken gemacht, unter anderem aber auch über das Olberssche Paradoxon, von dem ich in Folge 258 der Sternengeschichten ausführlich erzählt habe. Kurz zusammengefasst: Der deutsche Astronom Heinrich Wilhelm Olbers hat sich 1832 gefragt, warum es Nachts dunkel ist. Denn, so sein Gedanke, wenn das Weltall unendlich groß und unendlich alt ist und voll mit Sternen, sollten wir immer auf einen Stern blicken, egal wohin wir schauen. Oder anders gesagt: Von jedem Punkt des Himmels müsste Sternenlicht zu uns gelangen und der Himmel müsste Nachts taghell erscheinen. Heute wissen wir, warum der Gedanke falsch ist: Erstens leben Sterne nicht ewig und auch das Universum ist nicht unendlich alt. Olbers hat sein Paradoxon damals anders erklärt: Er hat gemeint, dass der Weltraum nicht komplett leer ist; er ist nicht durchsichtig und das Licht der fernen Sterne kommt nicht zu uns durch. Damit lag er nicht völlig falsch, aber definitiv auch nicht richtig. Denn was auch immer da zwischen uns und den Sternen ist - es hätte sich im Laufe der Zeit durch ihr Licht so weit aufheizen müssen, um selbst zu leuchten zu beginnen.

Struve jedenfalls wollte sich die Sache genauer ansehen. "Wir sehen zu wenig Sterne, drum ist da was, was das Licht blockiert" war ihm als Beleg zu wenig. Also hat er selbst Daten gesammelt. Er Sterne beobachtet und gezählt und ihre Helligkeit gemessen. Und auch andere Daten berücksichtigt. Und dann so argumentiert: Wenn der Raum wirklich transparent ist und die Sterne im Weltraum nicht irgendwie völlig komisch verteilt sind, dann müssten wir um so mehr Sterne sehen können, je weiter wir blicken. Aber so war es nicht, das haben seine Daten gezeigt. Er hat also geschlossen, dass es da eine "extinction de la lumière dans l’espace" gibt, also eine "Auslöschung des Lichts im Weltraum". Wie das zustande kommt und was es ist, dass da Licht auslöscht, konnte er aber auch nicht genau sagen. Und der Vollständigkeit halber: Heute wissen wir, dass auch eine andere wichtige Voraussetzung von Struves Gedankengang falsch ist: Die Sterne sind tatsächlich "komisch" verteilt. Nämlich nicht gleichmäßig im Universum. Sie sind in Galaxien versammelt und zwischen den Galaxien ist sehr, sehr viel nichts. Das wusste Struve damals noch nicht; das wissen wir erst seit dem frühen 20. Jahrhundert. Aber Struve hat sich ja sowieso nur auf die für ihn beobachtbaren Sterne konzentriert, die alle Sterne innerhalb der Milchstraße sind. Und wenn es keine Auslöschung des Lichts geben würde, hätte er tatsächlich mehr weit entfernte Sterne sehen müssen, als er es tatsächlich getan hat.

Aber das war alles immer noch ein wenig vage. Der erste, der wirklich zweifelsfrei und wissenschaftlich wasserdicht Licht in die Angelegenheit gebracht hat, war der aus der Schweiz stammende amerikanische Astronom Robert Julius Trumpler. Im Jahr 1930 hat er eine Arbeit veröffentlicht, die sich mit der Beobachtung von Sternhaufen in der Milchstraße beschäftigt. Er hat die Entfernung dieser Ansammlungen von Sternen untersucht, ihre Größe und ihre Verteilung in der Milchstraße. Für die Entfernungsmessung hat er die sogenannte "spektroskopische Parallaxe" verwendet. Ohne auf die Details einzugehen: Dabei untersucht man das Licht der Sterne, um daraus ihre Temperaturen abschätzen zu können, aus der sich ihre wahren Helligkeiten ergiben. Die kann man dann mit der von der Erde aus sichtbaren scheinbaren Helligkeit vergleichen und daraus die Entfernung bestimmen. Außerdem hat Trumpler auch gemessen, wie groß der Durchmesser ist, unter dem ein Sternhaufen von der Erde aus gesehen am Himmel erscheint. Kennt man die Entfernung, dann folgt daraus direkt, wie groß er tatsächlich sein muss. Wenn es um den scheinbaren Durchmesser geht, dann ist der natürlich um so kleiner, je weiter so ein Haufen weg ist. Für den wahren Durchmesser kann das aber nicht gelten. Ein Sternhaufen ist so groß, wie groß er eben ist - egal ob er uns nahe ist oder nicht. Und dann gibt es ja auch noch physikalische Grenzen, die bestimmen, wie groß so ein Haufen überhaupt werden kann. Trumpler hat jetzt aber etwas interessantes beobachtet: Es gab einen Zusammenhang zwischen der Entfernung und der wahren Größe. Je weiter entfernt ein Sternhaufen von der Erde ist, desto größer war sein wahrer Durchmesser.

Das kann natürlich in echt nicht so sein. Aber was war es dann? Wenn es zwischen uns und den Sternhaufen etwas gibt, so Trumpler, dass das Licht abschwächt, dann sehen wir die Sterne schwächer leuchten, wenn sie weiter weg sind. Dadurch schätzen wir ihre Helligkeit und Temperatur falsch ein und überschätzen ihre Entfernung. Damit überschätzen wir auch gleichzeitig ihren wahren Durchmesser. Trumpler schreibt das auch genau so in seiner Arbeit: "Wenn der interstellare Raum nicht vollständig transparent ist, gilt dieses Gesetz nicht; die scheinbare Helligkeit nimmt dann schneller ab, unsere berechneten Entfernungen sind zu groß, und der Fehler wächst mit der Entfernung des Sternhaufens." Und ihm ist auch noch etwas anderes aufgefallen. Aus der Temperarur des Sterns folgt auch in etwa, welche Farbe das Licht haben muss, das er aussendet. Kühle Sterne sind rötlicher, heiße Sterne sind eher bläulich und dazwischen leuchten die Sterne gelb, weißlich oder orange. Seine Beobachtungen haben aber gezeigt, dass die Farbe der Sterne immer ein wenig rötlicher ist, als erwartet. Das muss aber bedeuten, dass blaues Licht stärker abgeschwächt wird als rotes Licht und DAS bedeutet, dass der Effekt der Auslöschung von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Und, so wie bei der Überschätzung der Durchmesser, nimmt auch dieser Effekt mit der Entfernung zu.

Das, was dafür sorgt, dass man Durchmesser und Farbe der Sterne falsch einschätzt, muss also wirklich überall im Weltraum sein. Wenn es zum Beispiel nur irgendwelche Gaswolken innerhalb der Sternhaufen wären, die das Licht abschwächen, dann gäbe es nicht den Zusammenhang mit der Entfernung. Und das, was das Licht abschwächt, schwächt dieses Licht unterschiedlich stark ab, je nachdem welche Wellenlänge es hat. Das sind alles ziemlich starke Hinweise, dass es sich dabei um kleinste Partikel handelt, wenige Bruchteile von Mikrometern groß. Um das, was wir "Staub" nennen würden - aber in Trumplers Arbeit taucht dieses Wort noch nicht auf. Dafür aber in der ein Jahr später, 1931, erschienenen Arbeit "Über die physikalische Interpretation des Farbexzesses bei Sternen frühen Spektraltyps" von Ernst Öpik. Darin wollte der estnische Astronom klären, was es denn jetzt ist, dass die mittlerweile mehr als gut belegte Auslöschung des Sternenlichts und die Veränderung der Farbe verursacht. Er hat dafür folgende Hypothesen herangezogen: Irgendeine Art von Streuung des Lichts in Erweiterung der Atmosphäre der Sterne selbst. Sterne könnten eine Art von Hülle besitzen, die das Licht beim Durchgang entsprechend verändert. Oder aber die Atmosphäre der Sterne verhält sich anders, als bisher gedacht und schwächt das Licht auf eine unterwartete Weise ab. Oder es gibt große Wolken aus Staub im Weltraum. Nachdem er alle untersucht hat, kommt er zu dem Schluss: "Von diesen Hypothesen erscheint die erste als die wahrscheinlichste, da sie zugleich die einfachste ist und am besten im Rahmen unseres derzeitigen physikalischen Wissens kontrollierbar bleibt." Und sagt weiter: "Der Staub […] könnte ein dauerhafter Bestandteil des galaktischen Systems sein und nicht nur ein vorübergehendes Element, das letztlich durch Strahlungsdruck hinausgetrieben wird."

Damit war der Begriff "Staub" in diesem Zusammenhang etabliert und es war nicht einfach nur Staub, sondern "interstellarer Staub". Wir wissen heute, dass er tatsächlich überall zwischen den Sternen existiert und dass er von den Sternen selbst produziert wird. In seinen letzten Lebensphasen herrschen in einem Stern Bedingungen, unter denen sich all die Atome, die er durch Kernfusion erzeugt hat, miteinander zu komplexen Molekülen verbinden können. Die werden dann ins All hinausgeschleudert und Teil der interstellaren Materie, von der ich in Folge 79 erzählt habe. Dort können sie weiter chemisch reagieren und noch weiter wachsen. Die Teilchen werden durch die Strahlung von Sternen auch wieder zerstört; es gibt einen regelrechten Staubkreislauf. Aber der wichtige Punkt ist: Es gibt jede Menge Staub im All und auch wenn wir den nicht direkt sehen können, schwächt er das Licht der Sterne ab. Je weiter wir hinaus blicken, desto mehr Staub befindet sich auch entlang des Weges, den das Licht bis zu uns zurücklegen muss und desto stärker ist der Effekt. DAS ist die interstellare Extinktion und sie muss immer berücksichtigt werden, wenn man entsprechende Beobachtungen anstellt. Nur wenn die Daten entsprechend korrigiert sind, kann man sie auch richtig interpretieren. Auch in der Astronomie muss also alles regelmäßig entstaubt werden…