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: 61 Cygni und die Parallaxe.
Aleks Scholz. Foto: Ira Struebel
Die parallaktische Supersackgasse
„61 Cygni“ ist ein relativ langweiliger Stern. Ein wenig kleiner als die Sonne, ein bisschen weniger heiß, ein bisschen älter, von orangener Farbe, langsam rotierend. Es gibt Milliarden Sterne dieser Sorte in der Milchstraße. 61 Cygni ist gerade so mit bloßem Auge erkennbar, aber wirklich nur, wenn man sich höllisch anstrengt, eine der schwächsten Punkte am Sommerhimmel. Im großen Kreuz des Schwans liegt 61 Cygni in der linken oberen Ecke, nicht weit weg von Deneb, dem superhellen oberen Ende des Kreuzes. Wenn man durch einen Feldstecher sieht, löst sich 61 Cygni in zwei Lichtpunkte auf, ein Doppelstern, was wirklich auch nichts Besonderes ist. Die meisten Sterne kommen irgendwie mit Geschwistern zur Welt. 61 Cygni wäre vollkommen belanglos so als Stern, stünde er nicht zufällig genau da im Universum, wo er steht, nämlich in der Nähe der Erde.
Nähe ist wichtig für Astronomen. Nähe ist sogar extrem wichtig. Gegen Nähe tauscht der Astronom seine lebensgroße Spock-Figur ein. In einem verstörend großen Universum muss man dankbar sein für jedes Ding, das nicht beinahe unendlich weit weg ist. That’s just around the corner, sagt der Astronom in so einem Fall. Was nah ist, wird sofort zum Prototypen, zum Benchmark-Objekt, zum Stein der Weisen. Seit 1838 wissen wir, wie weit 61 Cygni von uns entfernt ist, nämlich 10 Lichtjahre, der erste Stern, dessen Entfernung bekannt ist. Jahrhunderte lang hatte man immer wieder die Lotleine ins Weltall geworfen, aber sie erreichte nie den Boden. 61 Cygni war die erste Untiefe, auf der das Senkblei liegenblieb.
Die Methode zur Entfernungsmessung von Sternen war lange vorher bekannt. Im Prinzip jedenfalls. Wenn sich die Erde um die Sonne dreht, so das Argument, dann müssten sich die Positionen eines Sterns im Jahresverlauf verändern, genauso wie sich die Position des Kirchturms relativ zum Horizont verändert, wenn man auf der Umgehungsstraße am Dorf vorbeifährt. Einfach, weil man aus einer anderen Richtung hinsieht. Aus der Verschiebung des Kirchturms vor dem Hintergrund und der Entfernung, die man im Auto zurückgelegt hat, folgt mit einer schlichten trigonometrischen Gleichung die Entfernung zum Kirchturm. Je weiter der Kirchturm entfernt ist, umso kleiner die Verschiebung. Unser Auto im All ist die Erde. Mit der Entfernung Sonne-Erde und der „Parallaxe“, der Verschiebung eines Sterns relativ zu anderen Sternen im Jahresverlauf, folgt die Entfernung des Sterns. Die Entfernung zur Sonne kannte man spätestens seit den Venustransits von 1761 und 1769 mit ausreichender Genauigkeit, ein Problem weniger. Was fehlte, war die Parallaxe.
Noch rings um 1600 hatten Tycho Brahe und Zeitgenossen das heliozentrische Weltbild verworfen, gerade weil es Parallaxen produziert hätte, und offensichtlich gab es keine Parallaxen. Die Sterne standen im Frühjahr genau am selben Ort wie im Herbst, wie es sich für ordentliche Fixsterne gehört, wie festgenagelt. Ein Spitzenargument. Man konnte es eigentlich nur aus dem Weg schaffen, indem man schwächlich behauptete, dass die Parallaxen kleiner als die Messgenauigkeit und die Sterne unvorstellbar weit weg sind. Was natürlich stimmt, allein der Beweis fehlte den Kopernikanern. Ihr Weltbild setzte sich trotzdem durch, hundert Jahre vor der Entdeckung der Parallaxe, was auch nur belegt, dass Theorien nicht unbedingt zu allen Fakten passen müssen, um zu gewinnen. Im Jahr 1838 musste niemand mehr vom Heliozentrismus überzeugt werden. Die Parallaxe fehlte trotzdem.
Ohne Entfernungen ist die gesamte Astronomie eine Sackgasse. Ein heller Stern könnte sehr nah sein oder sehr hell und weit entfernt. Ein Licht könnte ein Streichholz sein oder eine Supernova, wer weiß. Ohne Entfernung wird man nie wissen, was Sterne sind, wie sie funktionieren, woraus sie bestehen, was Nebel darstellen, und so weiter. Anfang des 19. Jahrhunderts war die Parallaxe ungefähr das, was die Bakterien vom Mars heute sind: Zu oft hatte man gehört, sie sei endlich gefunden. Zwanzigmal wurde die erste Parallaxe publiziert. Jedes Mal stellte sich heraus, dass irgendwas nicht stimmte. Jedes Mal, wenn ein neues Instrument installiert wurde, versuchte man es aufs Neue. Mit jedem Fehlschlag wanderten die Sterne weiter in Richtung Unendlichkeit. Piazzi in Palermo veröffentlichte im Jahr 1805 eine ganze Reihe von Parallaxen, für Wega, Aldebaran, Sirius, Procyon, nur um später feststellen zu müssen, dass seine Messgeräte ausgeleiert waren. Heute würde man vermutlich von einer Krise sprechen, von Vertrauensverlust und Hochstapelei. Die erste Parallaxe war ein unerreichbarer Traum.
61 Cygni, der erste Stern, von dem wir wissen, wie weit er entfernt ist. Nichts zu sehen, bitte weitergehen. Bildquelle: Digital Sky Survey
Time marches on. Am 21. Juli 1801 stürzt die Werkstatt eines Spiegelschleifers in München ein, aus den Trümmern wird der Lehrling, ein vierzehnjähriger Vollwaise aus Straubing, gerade noch so gerettet. Sein Name: Joseph Fraunhofer. Gerührt schenkt ihm Kurfürst Maximilian, später der erste König von Bayern, achtzehn Dukaten. Ohne es zu wissen, hatte König Max die Parallaxe bezahlt. Fraunhofer kaufte eine Glaspoliermaschine und wurde zum besten Linsenschleifer seiner Zeit. Er profitierte davon, dass zur selben Zeit die Präzisionsmechanik von England nach Deutschland importiert wird, endlich. Fraunhofer arbeitet unter anderem mit Georg von Reichenbach, der in England von James Watt gelernt hatte. Die Zahnräder der industriellen Revolution erreichen die deutsche Astronomie.
Während Fraunhofer in Benediktbeuren Linsen schliff, überrannte Napoleons Armee die europäischen Länder. Die preußische Niederlage führt zu den Stein-Hardenbergschen-Reformen, die wiederum zum Ausbau der Universität Königsberg, die einigermaßen vom Krieg verschont blieb. Unter anderem entstand die erste deutsche Sternwarte, die international konkurrenzfähig war, ein vierstöckiger Turm mit Kuppeldach. Die deutsche Astronomie blühte in ihrer ostpreußischen Enklave auf und zog mit England gleich. Aus Fraunhofers Werkstatt erhielt die Sternwarte Königsberg ein sogenanntes Heliometer – ein Fernrohr, dessen Linse in zwei Hälften zersägt war. Der Mann hinter dem Teleskop sieht durch das Heliometer ein Stück Himmel, das in der Mitte geteilt ist. Man richtet das Heliometer auf zwei Sterne, die dicht beieinander stehen, so dass je ein Stern in einer Hälfte des Gesichtsfeldes liegt. Dann verschiebt man die eine Linsenhälfte mit einer Feinmechanik so lange, bis das Bild des einen Sterns exakt über dem des anderen liegt. Aus den Linsenpositionen ergibt sich der Winkelabstand der beiden Sterne am Himmel. Heliometer waren notorisch schwer zu konstruieren. Das Fraunhofersche Heliometer von Königsberg war nicht irgendeines, sondern das beste der Welt.
Eine Parallaxe zu messen ist harte Arbeit. Wenn man genau genug hinsieht, dann veranstalten die Fixsterne am Himmel eine ganze Reihe von Bewegungen, die man aus den jahrelangen Beobachtungen herausrechnen muss, bevor vielleicht die Parallaxe übrig bleibt. Man braucht Konsistenz, Ausdauer und Präzision, die Art Präzision, die sich in anderen Lebensbereichen als Zwangsstörung offenbart. Die erste Parallaxenmessung würde jemandem gelingen, der sein Ei genau drei Minuten zehn Sekunden lang kocht und jeden Abend exakt zur selben Zeit den Kandelaber ausbläst. Und man braucht die besten, genauesten Instrumente der Welt. Die präzisionsbesessenen Astronomen des 19. Jahrhunderts glaubten, dass neue Entdeckungen nur in winzigen Effekten zu finden sind. Das Fundament der Astronomie, so sagte man im 19. Jahrhundert, liegt in der immer genaueren Messung der Sternörter. Alles war eingerichtet. Man hatte die besten Linsen, das richtige Observatorium, die Mittel, die Motivation. Es fehlte nur noch der Vollstrecker.
Der Lauf der Dinge spuckte Friedrich Wilhelm Bessel aus. Bessel durfte sich seit 1809 Direktor der Sternwarte Königsberg nennen. Er profitierte von den Stein-Hardenbergschen-Reformen, von Reichenbergs Reisen nach England und von Fraunhofers Wundertaten. Der Mann war gelernter Buchmacher, einer der vielen deutschen Astronomen des 19. Jahrhunderts, die völlig andere Berufe gelernt hatten, auch eine Folge der industriellen Revolution, die den neuen reichen Mittelstand in die Wissenschaften trieb. Buchhaltung ist enorm wichtig, wenn man eine Parallaxe messen will. Bessel entwickelte eine Methode, wie man von den dreckigen Daten zu supergenauen Sternpositionen gelangt. Bis 1833 hatte Bessel die exakten Örter von fünfzigtausend Sternen gemessen, der beste Sternkatalog seiner Zeit, das monumentale Werk eines Erbsenzählers. Um die Chancen auf eine erfolgreiche Parallaxenmessung zu maximieren, galt es zu erraten, welcher Stern möglichst nah liegt, damit seine Parallaxe möglichst groß ausfällt. Bessel wählte nicht einen der extrem hellen Sterne, wie die meisten vor ihm, sondern den unscheinbaren 61 Cygni.
Bessel arbeitete gegen harte Konkurrenz. Im Jahr 1837 veröffentlichte Friedrich Wilhelm Struve, einer der vielen Astronomen aus der endlosen Struve-Dynastie, eine Parallaxe für Wega, gemessen an der Sternwarte Dorpat in Estland. Struves Zahl glaubte allerdings niemand so recht, nicht einmal Struve selbst, obwohl seine Messung überraschend dicht an der echten Parallaxe von Wega liegt. Zu oft hatte eine vermeintliche Parallaxenmessung mit Spott geendet, zu groß die Fallhöhe. Zeitgleich saß Thomas Henderson, ein Schotte, auf Positionsmessungen für Alpha Centauri, mit 3 Lichtjahren Entfernung wirklich just around the corner. Messungen, die später eine klare Parallaxe zeigten. Henderson jedoch ignorierte seine Daten und warf sich stattdessen in andere Projekte. Ein echter Wissenschaftler.
Bessel war mittlerweile besessen von 61 Cygni. Tausende Beobachtungen, stundenlange Rechnungen, endlose Zahlenkolonnen. Ein Jahr nach Struve meldete Bessel eine Parallaxe von 0,3 Bogensekunden, der zehntausendste Teil eines Grades. Eine Euromünze betrachtet aus drei Kilometern Entfernung hat einen Durchmesser von 0,3 Bogensekunden. Es ist ein fantastisch winziger Effekt. Die Parallaxe war gefallen.
Gäbe es, rein zufällig, innerhalb von hundert Lichtjahren Abstand zur Sonne keine Sterne, dann wäre der Effekt zu klein für alle Teleskope des 19. und 20. Jahrhundert gewesen. Man hätte die ersten Parallaxen erst hundertfünfzig Jahre später gefunden, entweder mit Hilfe von riesigen Interferometern, die das Licht mehrerer Teleskope kombinieren, oder mit Satelliten. Die Astronomie wäre heute in einer seltsamen, schwer vorstellbaren Verfassung, in etwa auf dem Stand von 1900, gerade wieder erwacht nach einem hundertjährigen Schlaf, weit hinter den anderen Wissenschaften zurückgeblieben. Wir wüssten nichts über die Entwicklung von Sternen, über die Expansion des Universums, über fremde Galaxien und fremde Planeten. Es gäbe viel zu tun.
Aleks Scholz
Der Nachthimmel im Internet, zum Nachvollziehen der Reise.
Aleks Scholz, geboren 1975, ist Astronom und Schroedinger Fellow am „Institute for Advanced Studies“ in Dublin, Irland. Er befasst sich vorwiegend mit der Entstehung und der Entwicklung von Gelben, Roten und Braunen Zwergen. Foto: Ira Struebel. Aleks Scholz bei Google+.
