Astronomie
 Himmel kartografieren
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     - Durchmusterungen des 20.Jhr.
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Den Himmel kartografieren

Warum kartografieren Astronomen den Himmel? Diese Seite gibt eine kurze Einleitung in ihre Beweggründe und umreißt die Geschichte der astronomischen Durchmusterungen vom Altertum bis heute. Wenn du noch mehr lernen willst, besuche deine lokale Bücherei oder sieh dich auf den vielen interessanten Internetseiten um.

Warum den Himmel durchmustern?

Über Jahrtausende hinweg haben sich die Menschen über das Universum außerhalb unserer Welt gewundert. Die Sterne und Planeten, bloße Lichtpunkte am Nachthimmel, haben schon immer unsere Neugierigkeit angestachelt wenn wir das Verständnis nach unserem Platz im Kosmos erstrebt haben.

Die Menschen im Altertum erfassten diese Lichtpunkte oft in Verbindung mit höheren Mächten außerhalb ihrer Kontrolle, wie Götter und Göttinnen. Einige Kulturen fingen an zu realisieren, dass sich bestimmte Himmelsereignisse in regelmäßigen Abständen wiederholen. Diese Zivilisationen benutzten diese regelmäßigen Ereignisse um die Zeit zu markieren, der Landwirtschaft zu helfen und religiöse Beobachtungen aufzustellen. Später wurden Himmelsgrafiken, die mit bloßem Auge produziert worden waren, unverzichtbare Werkzeuge für die Schifffahrt und den Handel. (Dieser wichtige Gesichtspunkt der Himmelsdurchmusterungen hat bis heute überlebt, mit Beispielen wie dem U.S. Naval Observatory.)

Heute verstehen wir, dass das Universum nicht nur aus Sternen und Planeten besteht, sondern auch aus Galaxien, Galaxienhaufen, Strömen und Gasklumpen, und einem Bestandteil aus unsichtbarer (oder dunkler ) Materie. Um mehr über diese Objekte zu erfahren, müssen wir erst einmal wissen, wo sie zu finden sind, wie sie einander beeinflussen und wie sie sich über die Zeit verändern. Viele Strukturen bedecken weite Gebiete des Himmels; andere sind wiederum so selten, dass wir Millionen von Objekten betrachten müssen, um nur ein Beispiel zu finden. Diese Ideen haben die vielen Projekte im letzten Jahrhundert geleitet, um das Universum zu kartografieren, und zwar in immer weitere Gebiete, in immer größere Tiefen und über einen immer wachsenden Bereich von Wellenlängen. Vollständige wissenschaftliche Himmelsdurchmusterungen sind die besten Techniken, die wir zur Verfügung haben, um neue Objekte und deren Wechselbeziehungen zu entdecken. Haben wir erst einmal genug Objekte gefunden, können wir sie studieren, um die Grundlagen der physikalischen Eigenschaften des Universums zu erlangen.


Diese Durchmusterung, die Sloan Digital Sky Survey (SDSS), wurde geschaffen, um in größtem Maßstab zu untersuchen, wie sich Galaxien häufen. Die SDSS wird diese Haufen viel detaillierter kartografieren, als irgendeine Durchmusterung bisher. Wenn wir wissen wie sich Galaxien häufen, können wir etwas darüber lernen wie sich mikroskopische Materie und Energievariationen entwickelt haben, und zwar von den frühesten Momenten nach dem Urknall, vor mehr als 12 Milliarden Jahren, bis zu den Strukturen, die wir heute beobachten können.

Antike Durchmusterungen


Eine antike chinesische Sternenkarte von ca. 940 n.Chr.
Copyright c 1997, The British Library Board
British Library, Or.8210/S.3226

Astronomie ist die Älteste der physikalischen Wissenschaften. Sie entwickelte sich im Altertum aus der Neugierde über Tag und Nacht, die Sonne, den Mond und die Sterne. In der Nacht folgten mehr als 1000 sichtbare Sterne einem ähnlichen Kurs, und schienen in festen Gruppen oder Sternenbildern um einen festen Punkt am Himmel zu rotieren, dem nördlichen Himmelspol. Die frühesten Himmelsdurchmusterungen waren Aufzeichnungen der Positionen und Bewegungen der Sterne und Planeten. Die Menschen im alten Ägypten, China, Mittelamerika und Mesopotamien führten diese Durchmusterungen vor über 5000 Jahren durch. Sie hielten ihre Daten auf Steintafeln oder Tempelmauern fest, und manchmal bauten sie sogar riesige Strukturen wie Stonehenge, das nach speziellen astronomischen Ereignissen ausgerichtet war. Der erste bekannte Sternenkatalog, wurde in China ungefähr 350 v. Chr. von Shih Shen geschaffen und beinhaltet 800 Sterne.

Die Karten des Universums verbesserten sich grundlegend von 600 v. Chr. bis 400 n. Chr. In diesem Zeitraum begannen griechische Philosophen und Astronomen Theorien von dem Funktionieren des Kosmos zu entwickeln. Diese Theorien, die sich auf detaillierte Beobachtungen beziehen, machten Vorhersagen für die Bewegung der Sonne, des Mondes und der Planeten. Im 6. Jahrhundert v. Chr. führten die Griechen die Geometrie in die Astronomie ein. Hundert Jahre später stellte der berühmte Mathematiker Pythagoras die Theorie auf, dass sich die Planeten auf der Oberfläche von konzentrischen Kreisen bewegten. Im 4. Jahrhundert v. Chr. fasste Aristoteles das griechische Wissen über die Astronomie zusammen und Aristarchus berechnete die Größe der Sonne und des Mondes im Verhältnis zur Erde.

Zweihundert Jahre später entwickelte Hipparchus die Trigonometrie. Mithilfe der Trigonometrie konnte er die Entfernungen zu Planeten und Sternen berechnen, wenn er den Winkel kannte, mit dem sie von der Erde aus beobachtet wurden. Hipparchus erkannte, dass die Astronomie präzise und systematische Beobachtungen über Jahrhunderte hinweg benötigte, weswegen er viele alte Beobachtungen zusammen mit seinen eigenen benutzte. Darüber hinaus beabsichtigte er, dass viele seiner Beobachtungen, besonders seine Überwachungen der Planeten, von zukünftigen Astronomen verwendet wurden.

Hipparchus Idee, wie sich die Planeten bewegten, wurde später von Ptolemäus verfeinert und wurde zu dem was wir jetzt ptolemäisches System nennen. In dem ptolemäischen System bewegen sich die Planeten entlang konzentrischer Kreisbahnen um die Erde, während sich einige Planeten auf kleineren Kreisen, Epizykel genannt, um ihre Hauptbahn bewegten. Das ptolemäische System berechnete die Planetenbewegungen mit großer Genauigkeit voraus. Ptolemäus verwendete ebenfalls die Trigonometrie, um die Entfernung zum Mond präzise zu messen. Seine 13-bändige Abhandlung, Almagest, fasste einen Großteil des antiken astronomischen Wissens zusammen. Sie wurde in viele Sprachen übersetzt und entwickelte sich zur Obrigkeit für astronomische Fragen für die nächsten 1400 Jahre.

Die Geburt der modernen Astronomie

A map of Perseus from the Uranometria, a sky atlas drawn 
by Johann Bayer in the mid-1600s based on Tycho Brahe's star catalogs.
Eine Karte von Perseus aus der Uranometria, ein Himmelsatlas gezeichnet von Johann Bayer in den 1600er Jahren, unter Verwendung von Tycho Brahes Sternenkatalogen.

Die Astronomie schlummerte mehr als 1000 Jahre in Europa. In diesem Zeitraum machten islamistische und hinduistische Astronomen bedeutsame Fortschritte darin den Himmel zu verstehen. Als die Arbeiten der antiken Griechen durch arabische Übersetzungen zurück kehrten, wurde die Europäische Astronomie wieder zu neuem Leben erweckt. Der Aufschwung wurde von einem polnischen Priester namens Nicholas Copernicus garantiert, der in seinem Buch De Revolutionibus Orbium Coelestium (Über die Revolutionen der Himmelssphären) von 1543 die Theorie aufstellt, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht und die Sonne zusammen mit all den anderen Planeten umkreist. In dieser Zeit wurden astronomische Observatorien in Europa gegründet. Eins dieser Observatorien, nämlich Uraniborg, wurde auf eine dänische Insel gebaut. Die berühmten Astronomen Tycho Brahe und Johannes Kepler erstellten dort die sorgfältigsten und vollständigsten astronomischen Beobachtungen für diese Zeit, welche mehr als 700 Sterne enthielten.

Zur selben Zeit richtete Galileo Galilei, häufig der Gründer der modernen Naturwissenschaften genannt, ein neu entwickeltes Teleskop auf den Nachthimmel. Dieses Teleskop revolutionierte die Astronomie, indem es den Astronomen ermöglichte Sterne zu sehen, die noch niemand zuvor gesehen hatte. Anfang des 17. Jahrhunderts entwickelte Isaac Newton die Theorie der universellen Gravitation, die besagt, dass dieselbe Kraft, die Dinge auf die Erde fallen lässt auch die Planeten veranlasst die Sonne zu umkreisen. Hundert Jahre später benutzten Astronomen regelmäßig Newtons Gesetze, um die physikalischen Grundlagen von dem was sie sahen zu untermauern. Keplers Beobachtungen und Newtons Gesetze bildeten das Fundament der Astronomie für fast zweihundert Jahre.

Die Durchmusterungen des 20. Jahrhunderts

Im späten 19. Jahrhundert wurde die Astronomie erneut revolutioniert von der Erfindung der Kamera und des Spektrogramms. Photographische Filme und Platten erlaubte es Astronomen zum aller ersten Mal eine durchgehende Aufzeichnung des Himmels zu erstellen. Zudem konnten photographische Platten für sehr lange Zeit belichtet werden, was es den Astronomen ermöglichte entferntere Objekte in größerer Entfernung zu erkennen. In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts wussten die Astronomen, dass viele der verschwommenen, undeutlichen Objekte, die sie sahen, tatsächlich andere Galaxien waren, die Billionen von Sternen enthielten. Doch um entfernte Galaxien zu erforschen, mussten die Astronomen sie erst einmal finden. Um weitere undeutliche Galaxien zu finden, fingen die Astronomen systematisch an den Himmel fotografisch zu durchmustern.

A map of the whole sky, based on digitized photographic plates from 
the Palomar and UK 48 inch Schmidt telescopes (Courtesy USNO).
Eine Karte des gesamten Himmels, die auf digitalisierte photographische Platten von dem Palomar und UK 48" Schmidt Teleskopen basiert (Courtesy USNO).

Diese systematischen Himmelsdurchmusterungen wurden durch die Entwicklung des Schmidt Teleskops vereinfacht, wobei es sich um ein neues Teleskop handelt, das es ermöglichte große Gebiete des Himmels auf einmal zu fotografieren. Das erste solche Teleskop, mit Spiegel von 18 inch (46 cm) Durchmesser, wurde 1936 in Betrieb genommen in dem Palomar Observatorium in Kalifornien, und wurde verwendet, um nach explodierenden Sternen Ausschau zu halten, den sogenannten Supernovae. Dieses Design war dermaßen erfolgreich, dass eine größere, 48 inch (1,2 m) große Version gebaut wurde, deren Zweck es war, Objekte für das neue 200 inch (5 Meter) große Teleskop ausfindig zu machen, das gerade in Palomar aufgebaut wurde. Mithilfe des 48-inch-Schmidt Teleskops, begannen die Astronomen 1949 den ersten modernen Aufwand einer vollständigen, unvoreingenommenen Durchmusterung. Die landesweite geographische Durchmusterung des Palomar Observatoriums (Palomar Observatory Sky Survey: POSS-I) sammelte Daten in verschiedenen Farben des Lichts über den gesamten nördlichen Himmel. Ein anderes Teleskop wurde dazu gebaut, den ganzen südlichen Himmel zu durchmustern.

Diese Durchmusterungen brauchten Jahrzehnte um vervollständigt zu werden, aber dafür versorgten sie Astronomen mit Daten, die jahrzehntelang genutzt werden konnten. Als in den 80er Jahren neue Teleskope gebaut wurden, brauchten Astronomen eine neue Durchmusterung, um undeutliche, weiter entfernte Ziele für die allergrößten Teleskope zu finden. Mit demselben 48-inch Schmidt Teleskop auf dem Palomarberg, aber mit einer verbesserten photographischen Emulsion, starteten Astronomen die zweite Palomar Observatory Sky Survey (POSS-II), eine neue Durchmusterung des gesamten nördlichen Himmels.

Als Computer und digitale Medien entwickelt wurden, scannten die Astronomen die photographischen Platten der Durchmusterungen ein, um digitale Bilder zu schaffen, die sich jeder im Internet anschauen konnte. Heute kann sich jeder die Bilder von allen Durchmusterungen herunterladen mit Hilfsprogrammen, wie dem SkyView der NASA. Zusätzlich zu der Entwicklung von anderen Wellenlängen (Radio: FIRST, Röntgenstrahlen: RASS, Infrarot: 2MASS), wurden Durchmusterungen des Himmels in diesen neuen Intervallen zugleich von astronomischen Observatorien durchgeführt und offenbarten verblüffende Ansichten des Himmels, die man noch nie zuvor gesehen hatte.

Die Sloan Digital Sky Survey

 
 
  Das SDSS 2.5m Teleskop

Heute bieten moderne elektronische Detektoren (wie der CCD Chip in Digitalkameras) eine viel größere Sensibilität als die photographischen Platten. Schnelle Computer und riesige Datenspeichersysteme erlauben es Astronomen digitale Bilder vom Himmel zu machen, sowie die Daten, die sie sammeln zu bearbeiten und zu speichern. Diese technischen Vorteile führten zu der Gründung der Sloan Digital Sky Survey, die ein Viertel des gesamten Himmels detailliert kartografieren wird, und damit die Positionen und Helligkeiten von Hunderten von Millionen Himmelsobjekten ermitteln wird. Sie werden auch die Entfernungen zu einer Million der nahesten Galaxien messen, und uns somit ein dreidimensionales Bild des Universums geben, in einem hundertmal größeren Umfang als diese, die wir jetzt haben. Die SDSS wird auch die Abstände zu 100.000 Quasaren ermitteln, die entferntesten Objekte, die wir kennen, und uns damit einen noch nie da gewesenen Blick auf die Grenze des sichtbaren Universums gewährleisten.

Der Anteil des Universums, das durchmustert wird, wird von unserem Logo repräsentiert, das ähnlich einer Fallschirmform ist. Wir befinden uns in der Mitte des Logos, auf dem Knoten der Fallschirmleinen. Der elliptische Hintergrund deutet die Form einer Galaxie an, das interessanteste Himmelsobjekt für die SDSS.

SDSS Filter
NameFarbeWellenlänge
u'Ultraviolett3540Å
g'Blau/grün4760Å
r'Rot6280Å
i'Infrarot7690Å
z'Infrarot9250Å

Die SDSS verwendet ein speziell gebautes 2,5 Meter (8 feet) großes Teleskop am Apache Point Observatorium in New Mexico. Das Teleskop ist fest eingestellt direkt in den Himmel hinauf zu zeigen. Während sich die Erde dreht, wird mehr von dem Himmel über dem Teleskop sichtbar. In dem Verlauf einer Nacht bildet das Teleskop einen "Streifen" des Himmels ab. Es wird von nun an bis 2005 in klaren Nächten arbeiten und wird Streifen von einem Viertel des Nachthimmels ablichten. Das Teleskop wird den Himmel in fünf verschiedenen Wellenlängen des Lichts gleichzeitig darstellen; diese Wellenlängen sind in der Tabelle rechts aufgelistet.

Darüber hinaus wird die SDSS auch Spektren erfassen, die messen wie viel Licht ein Objekt an verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen emittiert. Die SDSS wird Spektren von mehr als einer Million Galaxien messen. In den nördlich galaktischen Hemissphären wird die SDSS ungefähr 10.000 Quadratgrad beobachten. In den südlich galaktischen Hemissphären wird die SDSS dieselbe Bandbreite mehrmals abbilden, und es somit ermöglichen weit entfernte Quellen zu sehen und nach wechselhaften, kurzlebigen Objekten zu suchen.