Aleks Scholz ist Autor und Astronom. In seiner Kolumne „Lichtjahre später“ erklärt er regelmäßig alles, was wir über das Universum wissen müssen. Seit Januar 2013 befindet er sich auf einer Irrfahrt über den Nachthimmel. Heute: Das Nebelproblem.
Aleks Scholz. Foto: Ira Struebel
Was innendrin ist in den Nebeln
Was innendrin ist in den Nebeln,
Ist wie ein Schaltpult mit zwei Hebeln.
Der eine Hebel ist fürs Licht.
Der andere Hebel: Weiß man nicht.
(Kathrin Passig)
Astronomie bestand bis Mitte des 20. Jahrhunderts im Wesentlichen aus drei Problemen. Das Planetenproblem. Warum bewegen sich Planeten auf so seltsamen Bahnen am Himmel? Gelöst von Kepler und Newton, noch vor Ende des 17. Jahrhunderts. Das Sternenproblem. Was ist ein Stern? Wie groß, wie schwer, woraus besteht er, warum leuchtet er? Der erste Schritt zur Lösung ist die Entfernungsmessung, wie weit sind die Geräte entfernt – die Parallaxen in den 1830er Jahren. Von diesem Punkt aus dauert es nochmal ein gutes Jahrhundert, bis die Fragen zufriedenstellend beantwortet sind. Die Lösung des Sternenproblems war Teamarbeit: Bessel, Fraunhofer, Secchi, Huggins, Jump Cannon, Hertzsprung, Russell, Jeans, Eddington, Payne-Gaposchkin, Bethe, und viele mehr.
Schließlich das Nebelproblem: Was sind die vielen nebulösen Lichtflecken, die man im Teleskop sieht? Insbesondere die, bei denen man eine Spiralstruktur erkennen kann? Auch hier wieder ist die Entfernungsmessung der Schlüssel, diesmal die Entdeckung von Cepheiden durch Leavitt. Cepheiden sind Riesensterne, die periodisch pulsieren, und zwar umso langsamer, je mehr Licht sie insgesamt abstrahlen. Aus der Periode, die leicht messbar ist, folgt die Leuchtkraft. Weiß man, wieviel Licht sie abstrahlen, kann man aus der Menge Licht, die auf der Erde ankommt, die Entfernung ausrechnen. Mit Hilfe der Cepheiden löst Hubble in den 1920ern das Problem der Spiralnebel – es handelt sich um riesige Welteninseln wie unsere Milchstraße eine ist. Sie bestehen aus Milliarden Sternen und sind Millionen Lichtjahre entfernt. Andere Nebel sind Kometen, nur ein paar Kilometer groß und ähnlich nah wie Planeten. Wieder andere Nebel sind Ansammlungen von Gas in der Milchstraße. Das Nebelproblem ist das Neueste der drei, vor allem, weil man Fernrohre braucht, um überhaupt etwas mit Nebeln anfangen zu können.
Der Großmeister der Nebel ist William Herschel. Herschel stellt überhaupt zum ersten Mal die Nebelfrage. Herschel erfindet nicht nur das Nebelproblem, er legt auch die Grundlagen zu seiner Lösung. Er entdeckt ein paar tausend neue Nebel, unter ihnen hunderte Galaxien. Herschel zeichnet die erste Karte der Milchstraße, so wie man sie von außen sehen würde, nämlich als eine dicke Scheibe bestehend aus sehr vielen Sternen. Neulich behauptete ich, dass William Herschel wohl unter den Top Five der besten Astronomen aller Zeiten ist. Ich lege mich jetzt fest. Er ist die Nummer eins. Und dabei berücksichtige ich noch nicht einmal, dass er 24 Sinfonien und 12 Konzerte geschrieben hat. Herschel ist eine Nummer größer als der Rest.
Und das, obwohl er von England aus nicht einmal die Hälfte der Welt sehen konnte. Wenn man in einer Galaxie wie der Milchstraße drinsteckt, dann erscheint sie als ein helles Band aus Sternen, das sich über den gesamten Himmel erstreckt. Die Sternendichte in diesem Band ist um ein Vielfaches höher als außerhalb; wir sehen direkt in die dicke Scheibe hinein. Die Milchstraße ist das einzige astronomische Objekt, das bei klarem, dunklem Himmel immer sichtbar ist, von jedem Ort der Erde aus, jede Nacht des Jahres. Dabei ist der nördliche Teil der Milchstraße vergleichsweise unspektakulär. Von Europa aus sehen wir auf die Außenbezirke der Galaxie, die Kanten der Scheibe. Wenn die Milchstraße eine Insel im Nichts des Universums ist, dann sehen wir vor allem die Uferbereiche, Strände und Sümpfe. Der Nordhimmel ist das matschige Litoral unserer Galaxie. Das eigentliche Spektakel jedoch findet am Südhimmel statt, den William Herschel nie zu Gesicht bekam.
Das Band der Milchstraße, in der Bildmitte ihr Zentrum, Antares rechts davon. Baades Fenster ist links der helle Fleck links neben der Mitte. Norden ist wie üblich oben. Quelle: Digital Sky Survey.
Um das Herz der Finsternis zu sehen, muss man nur bis nach Italien. Das Zentrum der Milchstraße steht im Sternbild Schütze, eine Handbreit südlich von Antares, dem hellsten Stern im Skorpion, der in Südeuropa gerade so über dem Horizont hervorkommt. Das galaktische Zentrum ist ein mysteriöser Raum, knapp dreißigtausend Lichtjahre entfernt, verborgen hinter dichten schwarzen Nebeln. Die gesamte Struktur rotiert um diesen Punkt. Innerhalb von ein paar Kubiklichtjahren kreisen tausende Sterne auf wirren Bahnen um das Zentrum. Zum Vergleich: Zwischen der Sonne und dem nächsten Nachbarstern sind mehrere Lichtjahre Platz.
Trotz jahrzehntelanger Bemühungen verstehen wir nicht so recht, wo die Sterne im Milchstraßenkern herkommen und was aus ihnen wird. Ihre Bahnen werden wie so vieles im All von der Schwerkraft bestimmt. Die Sterne rasen mit Geschwindigkeiten von tausend Kilometer pro Sekunde um das Zentrum. Damit die Sterne nicht aus der Bahn fliegen, muss die Schwerkraft die Zentrifugalkraft ausgleichen – je höher die Geschwindigkeit, umso höher muss die Zentralmasse sein. Die Zahlen sind eindeutig: Im Zentrum der Milchstraße muss ein Ding stehen, das millionenfach schwerer ist als die Sonne, eine gewaltige Masse konzentriert in einer Zone kleiner als die Bahn der Erde um die Sonne. Es ist die größte Zusammenballung von Masse in unserer Galaxie. Die Dichte ist so groß, dass kein Licht dem Schwerefeld entkommt – die Definition eines Schwarzen Lochs. Oder in den Bildern der Allgemeinen Relativitätstheorie: Wenn man so viel Masse in einem so kleinen Raum vereint, zerreißt die Struktur von Raum und Zeit. Das klingt immer so, als müsste man erwidern “jetzt hör aber auf”.
Um dieses raumzerstörende Ding herum strudeln nicht nur Sterne, sondern auch Nebel und Wolken. Der Südhimmel ist voll davon. Das hat damit zu tun, dass die Milchstraßenscheibe in der Mitte dicker ist als in den Außenbereichen, und die Mitte liegt nun mal im Süden.
Nur ein paar Nebel aus der Liste von Messier, alle in der Nähe des galaktischen Zentrums: Messier 8, der Lagunennebel. Messier 20, der Trifidnebel. Messier 17, der Omeganebel. Messier 16, der Adlernebel, der durch die Aufnahmen von leuchtenden Gassäulen mit dem Hubble-Weltraumteleskop berühmt wurde – die Pillars of Creation. Wenn man im Norden nach oben sieht, blickt man vor allem in eine Sternenwüste. Im Süden dagegen offenbart sich eine Landschaft mit Features, Strukturen und allem.
Weil sich in der Scheibe alles zusammenballt, Gas, Staub, Zeug, können wir nicht besonders weit in unsere Galaxie hineinsehen. Was wir zu sehen kriegen, ist ein winziger Ausschnitt der Milchstraße, ein ein paar tausend Lichtjahre großes Stück von einem Kuchen, der insgesamt hunderttausend Lichtjahre Durchmesser hat. Nur an ein paar ausgewählten Stellen können wir tiefer in die Galaxie eindringen. Direkt neben dem galaktischen Zentrum liegt “Baades Fenster”, ein vollmondgroße Region mit verhältnismäßig wenig Staub in Blickrichtung und daher unglaublich vielen Sternen. Hier kann man fünfundzwanzigtausend Lichtjahre weit in den Kuchen hineinblicken. Benannt ist das Fenster nach Walter Baade aus Schröttinghausen, der 1931 nach Kalifornien emigrierte und einer der Großmeister des Nebelproblems wurde, in einer Reihe mit Herschel, Shapley und Hubble. Baades berufliche Laufbahn profitierte auf seltsame Weise vom zweiten Weltkrieg. Zum einen wollte ihn das Militär nicht, weil er noch deutscher Staatsbürger war. Zum anderen war Los Angeles verdunkelt. Ideale Bedingungen für die Sternwarte auf dem Mount Wilson. Viele herrliche dunkle Nächte verbringt Baade mit dem größten Teleskop der Welt. Er macht Bilder von Nebeln und Sternhaufen.
Baades Fenster im Sternbild Schützen. Jeder einzelne kleine Punkt ist ein Stern. Quelle: Digital Sky Survey.
Listen von Sternen haben eine große Tradition in der Astronomie. Knapp tausend Sterne enthält die Liste von Hipparchos, vielleicht die erste überhaupt. Unsere derzeit besten Listen von Sternen sind etwa eine Milliarde Einträge lang. Im Vergleich mit Hipparchos ganz gut, im Vergleich mit dem Universum jämmerlich. Die gesamte Milchstraße enthält aktuellen Schätzungen zufolge mehr als hundert Milliarden Sterne. Wir sehen nicht einmal ein Prozent aller Sterne. Der größte Teil der Milchstraße ist für die Augen unsichtbar. Was die Frage aufwirft, woher wir überhaupt wissen, wie es im Rest der Milchstraße zugeht. Was gibt uns das Recht, von unserer kleinen Höhle* auf das große Ganze zu schließen? Was soll das? Vielleicht ist dort drüben in den menschenverlassenen 99% der Milchstraße alles anders. Vielleicht aber auch nicht. Das Unsichtbare zu ergründen, mit indirekten Methoden und cleveren Tricks, das ist der Job der Astronomen. Wenn die Augen etwas nicht sehen, dann nehmen sie eben was anderes. Zum Beispiel Radioteleskope, große Parabolantennen, die so aussehen, als hätte sie der amerikanische Geheimdienst aufgestellt. Oder George Lucas.
Radioteleskope können Wasserstoff sehen. Es hat damit zu tun, dass sich Elektronen um ihre eigene Achse drehen. Ab und zu flippt die Rotationsachse einmal komplett herum. Wenn das einzige Elektron im Wasserstoffatom flippt, dann produziert es ein winziges Radiosignal auf einer Wellenlänge von 21 Zentimetern, dieselbe Art “Licht”, die auch Mikrowellengeräte und Wifi-Router produzieren. Wasserstoff-Elektronen flippen nicht sehr oft, genauer gesagt: nur alle zehn Millionen Jahre einmal. Aber weil es mehr Wasserstoffatome im Universum gibt, als man essen kann, ich meine, als wir alle zusammen essen können, reicht das 21-Zentimeter-Signal, um den Wasserstoff zu “sehen”. Radiostrahlung wird im Unterschied zu normalem Licht nicht von den Nebeln und Wolken im All verschluckt. Es dringt problemlos zu uns durch, von der dunklen Seite der Milchstraße. Mit dem Radioteleskop wird die Milchstraße durchsichtig, und auf einmal ist alles zu sehen. Die schönen Spiralarme vor allem. Die Milchstraße ist nicht nur irgendein formloser Nebel. Sie ist ein Spiralnebel, genauso wie die vielen anderen Galaxien da draußen.
Es ist nicht überliefert, was Galilei sagte, als er zum ersten Mal mit seinem kleinen Sehrohr in Richtung Milchstraße sah. Im Winter 1609/10, dem vielleicht wichtigsten Winter in der Geschichte der Astronomie. In einem schlechten Film würde man ihn “oh, es ist voller Sterne” sagen lassen. In einem guten vielleicht “soso”. Dabei sind Sterne wirklich nur ein kleiner Teil der Milchstraße. Selbst Sterne und Nebel zusammen machen nur vielleicht ein Fünftel oder ein Zehntel der Masse der Milchstraße aus. Der Rest heißt Dunkle Materie und ist wieder einmal unsichtbar, aber auf eine neue Art unsichtbar. Bis irgendjemand ein neues Gerät erfindet.
* Eine Höhle, die wir übrigens “Lokale Blase” nennen. In der Lokalen Blase liegt die Lokale Interstellare Wolke, auch Lokale Flocke genannt, ein kleine Ansammlung von Gas und Staub, die die Sonne zur Zeit durchquert. Wobei “zur Zeit” so viel heißt wie “seit hunderttausend Jahren”. Von außen würde die Lokale Flocke wie ein kleiner Nebel aussehen. Herschel hätte sie sicher gefunden.
Aleks Scholz
Der Nachthimmel im Internet, zum Nachvollziehen der Reise.
Aleks Scholz, geb. 1975, ist Astronom und Autor. Zurzeit arbeitet er als Direktor des Observatoriums an der Universität von St. Andrews in Schottland. Zusammen mit Kathrin Passig veröffentlichte er das »Lexikon des Unwissens« und »Verirren« (beides bei Rowohlt Berlin). Er war Redakteur des Weblogs Riesenmaschine und schrieb für die Süddeutsche Zeitung, den Standard, die taz, die Zeit, Spiegel Online und CULTurMAG. Zuletzt erschien im CulturBooks-Verlag „Lug, Ton und Kip. Die Entdeckung der Wicklows“ (mehr hier). Foto: Ira Struebel. Aleks Scholz bei Google+.
