Vom geozentrischen Weltbild bis zur Urknalltheorie

Vom geozentrischen Weltbild
bis zur Urknalltheorie
Geschichtlicher Rückblick über Teleskope (bis ca. 1920)
5. Mai 2010
Kristina Seifert
Mount Wilson Observatory
Übersicht
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Das geozentrische Weltbild
Die kopernikanische Wende:
die Zeit von Tycho Brahe bis Kepler
Newton und die Spiegelteleskope
Vom Planetensystem zur Milchstraße
(Herschel)
Das Hubble-Gesetz und der Urknall
2
Claudius Ptolemäus
(ca. 100 bis 175 n. Chr.)
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sein berühmtestes
Werk: „Almagest“ dt.
„Die große
Zusammenstellung“
●
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umfasst das antike
Wissen über die
Himmelsobjekte
Standardwerk der
Astronomie vom 2. bis
17. Jahrhundert
3
Ptolemäus' geozentrisches Weltbild
●
●
●
alle Planten, die Sonne
und der Mond bewegen
sich im Grunde auf
Kreisbahnen um die Erde
leichte Abänderung zu
„Epizykelbahnen“, um mit
den astronomischen
Beobachtungen in
Einklang zu kommen
Planeten an
Kristallschalen befestigt
4
Epizykelbahn
●
●
●
kurzzeitig sieht es so
aus, als laufe der Planet
in die umgekehrte
Richtung
Planet (z.B. Mars) sieht
mal heller, mal dunkler
aus (abhängig von der
Entfernung zur Erde)
mit einfacher Kreisbahn
nicht zu erklären
5
Nikolaus Kopernikus
(1473-1543)
●
sein berühmtestes
Werk: „De
revolutionibus“
●
●
beschreibt darin sein
heliozentrisches
Weltbild
veröffentlichte es erst
kurz vor seinem Tod
6
Kopernikus' heliozentrisches
Weltbild
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die Erde, sowie alle
anderen Planeten,
bewegen sich auf
Kreisbahnen um die
Sonne
Erde dreht sich um
eigene Achse
Weltbild schon durch
Aristarchos von Samos
(310 v. Chr.) vertreten
7
Gegner des heliozentrischen
Weltbildes
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Ablehnung der Kirche, da sie die Einzigartigkeit der
Erde und des Menschen gefährdet sah
häufiges Argument gegen das helozentrische Weltbild:
fehlender Parallaxeneffekt
weitere Gegenargumente:
●
Bewegung der Erde müsste spürbar sein
●
herunterfallende Gegenstände müssten schräg fallen
von den Gegnern wurde Kopernikus' Weltbild meist nur
als mathematisches Konstrukt angesehen, um die
Berechnung der Planetenbahnen zu vereinfachen
8
Parallaxeneffekt
9
Tycho Brahe (1546-1601)
●
leitete das vom dän. König
eigens für ihn gebaute
Observatorium „Uranienburg“
10
Tycho Brahes Verdienste
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●
verfasste den umfangreichsten Sternenkatalog,
der jemals ohne das Teleskop als Hilfsmittel
aufgenommen wurde
nahm sehr gewissenhaft astronomische Daten
auf (v.a. die Umlaufbahn des Mars)
hinterließ Kepler seine umfangreiche
Datensammlung mit der dieser die
Ellipsenbahnen der Planeten verifizieren konnte
11
Das Weltbild Tycho Brahes
●
Abwandlung des
geozentrischen
Weltbildes:
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●
●
Merkur und Venus kreisen
um die Sonne
die Sonne selbst und alle
anderen Planeten kreisen
um die Erde
von den Gegnern des
heliozentrischen
Weltbildes gerne
angenommen
12
Hintergründe zu den ersten
Teleskopen
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●
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einfache Linsen aus geschliffenem Quarz oder
Glas gab es schon lange vor der Erfindung des
Teleskops
ab dem 13. Jahrhundert Verwendung von
Linsen z.B. in Brillen (bzw. Monokeln)
erstes Teleskop 1608 erfunden von dem
Brillenmacher Hans Lipperhey (Galileiteleskop
mit einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse)
13
Azimutale Montierung
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horizontale Achse zur
Einstellung der Höhe
vertikale Achse zur
Einstellung des Azimuts
Vorteile: mechanisch einfach
und trägt große Lasten
Nachteil: bei der Nachführung
des zu beobachtenden
Himmelskörpers ist eine
Drehung um beide Achsen
nötig
14
Äquatoriale Montierung
●
●
●
●
auch parallaktische
Montierung genannt
Rektazensions(/Stunden-)achse ist zum
Horizont um den Winkel der
geografischen Breite des
Beobachtungsortes geneigt
darauf senkrechte
Deklinationsachse weist zum
Himmelsäquator
Vorteil: nur Drehung um die
Rektazensionsachse
15
Galileo Galilei (1564-1642)
●
●
●
Richtete als erster das
Teleskop in den Himmel
(sonst nur militärische
Zwecke)
seine ersten Teleskope
erreichten eine 20 bis
30-fache Vergrößerung
(gängige Teleskope:
2 bis 3-fach)
Entwicklung des ersten
Mikroskops
16
Galileo Galileis Entdeckungen
●
●
●
erkannte als erster, dass
die Milchstraße in Sterne
aufgelöst werden konnte
erkannte und zeichnete
die Struktur des Mondes
recht genau (veröffentlicht
im „Sidereus Nuncius“, dt.
Sternenbote)
⇒ großer Ruhm
fand 4 Jupiter-Monde
17
Galileo Galileis Entdeckungen
●
●
Venusphasen (er glaubte damit das heliozentrische
Weltbild bewiesen zu haben)
nach Galilei lange Zeit keine großen Entdeckungen
mehr bis Teleskope viel besser wurden
18
Das Weltbild Galileo Galileis
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●
●
vertrat das Koperikanische Weltbild
lehnte Keplers Ellipsenbahnen ab und
bevorzugte, wie einst auch Kopernikus,
Kreisbahnen
interpretierte Kometen als atmosphärisches
Phänomen, weil diese sonst sein Weltbild
gefährdet hätten (keine Kreisbahn!)
bewies, dass das Ptolemäische Weltbild falsch
ist, das von Tycho Brahe konnte er jedoch nicht
widerlegen
19
Johannes Kepler (1571-1630)
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seine drei
berühmtesten Werke:
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„Astronomia Nova“:
–
●
„Dioptrice“:
–
–
●
1. und 2. Kepler'sches
Gesetz
Brechung des Lichts
optische Abbildungen
„Harmonice Mundi“
–
3. Kepler'sches Gesetz
20
Johannes Keplers Verdienste
●
aufgrund der Positionsdaten des Mars
Überlegung, dass es sich um elliptische
Planetenbahnen handelt
●
die drei Kepler'schen Gesetze
●
Bedeutung des Mondes für die Gezeiten
●
erstes Teleskop mit zwei Sammellinsen (sog.
Keplerfernrohr)
Besonderheit: Bild steht auf dem Kopf
21
Modell eines Kepler-Fernrohrs
●
●
Kombination einer Objektivlinse mit großer
Brennweite und einer Okularlinse mit kurzer
Brennweite
− f Obj
Vergrößerung V =
f Ok
22
Das Weltbild Johannes Keplers
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●
●
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heliozentrisches Weltbild
elliptische Planetenbahnen
um die Sonne mit der Sonne
in einem der Fokuspunkte
modernes Bild des
Sonnensystems (bis auf
unentdeckte Planeten)
jedoch „Fixsternhimmel“ als
umgebende Schale, die das
Universum begrenzt
23
Vorteile von Spiegelteleskopen
●
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im Gegensatz zu Linsenteleskopen keine
chromatische Aberration
kürzerer Aufbau
Spiegel in nahezu beliebiger Größe herstellbar, Linsen
sind wegen des Eigengewichts Grenzen gesetzt
●
relativ günstige Herstellungskosten
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aber: andere Bildfehler wie Koma und Astigmatismus
24
Newton-Teleskop
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konkaver Hauptspiegel (ursprünglich
sphärisch, später parabolisch)
zur Mittelachse um 45° geneigter Fangspiegel
25
Cassegrain-Teleskop
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konkav-parabolischer Primärspiegel
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konvex-hyperbolischer Fangspiegel
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rechtsseitiger Brennpunkt des Fangspiegels fällt
mit dem Brennpunkt des Hauptspiegels
zusammen
kurzer Aufbau
26
Nasmyth-Teleskop
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Kombination aus Newton- und Cassegrain-Teleskop
●
konkav-parabolischer Hauptspiegel
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konvexer Fangspiegel
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um 45° zur Mittelachse geneigter Planspiegel, der
das Licht zum Okular lenkt
27
Modernes Großteleskop
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Nasmyth/CassegrainBauart (umbaubar)
azimutale Montierung
(computergesteuert)
zwei stationäre Plattformen
verschiedene
Messinstrumente durch
Ummontierung des
Sekundärspiegels
einsetzbar (z.B.
Spektrometer)
28
Isaac Newton (1643–1727)
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berühmtestes Werk:
die „Principia“
erster Astronom, der
seine Thesen
physikalisch
untermauerte
29
Isaac Newtons Verdienste
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löste das Problem der Materialwahl für Spiegel
Spiegelmetall wurde die folgenden zwei
Jahrhunderte genutzt
die drei Newtonschen Gesetze
Gravitation als anziehende Kraft der Sonne auf
die Erde (statt magnetischer Kraft)
brachte die drei Kepler'schen Gesetze mit der
Physik in Einklang und verifizierte sie
⇒ Begründer der Naturwissenschaften
30
James Bradley (1693-1762)
●
●
●
konnte als erster die Bewegung
der Erde um die Sonne durch die
Aberration des Lichts nachweisen
⇒ Beweis des heliozentrischen
Weltbildes
wollte eigentlich Parallaxe eines
Sterns zur
Entfernungsbestimmung messen
erste Parallaxenmessung erst
1838 durch Friedrich Wilhelm
Bessel
31
Friedrich Wilhelm Herschel
(1738-1822)
●
●
●
●
Entwicklung immer
größerer Teleskope
Entdeckung des
Planeten Uranus
Entdeckung der
Infrarotstrahlung
schaffte Grundlagen
auf den Gebieten der
Nebel, Doppelsterne
und der Milchstraße
32
Herschel-Teleskop
●
●
Hauptspiegel leicht gegenüber der Mittelachse
geneigt, lenkt das Licht schräg zur Okularlinse
kein Sekundärspiegel nötig (damit verbundener
Lichtverlust vermieden)
33
Herschels Riesenteleskop
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●
1789 fertiggestellt
Spiegeldurchmesser von 1,22
m
●
über 12 m Fokuslänge
●
größtes Teleskop seiner Zeit
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●
teuer und schwierig in der
Herstellung
die größten Entdeckungen
machte er mit anderen
kleineren Teleskopen
34
Herschel und die Nebel
●
●
●
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Zahl der dokumentierten Nebel bis dahin sehr
überschaubar (knapp über 100)
legte einen Katalog von 2500 Nebeln an und
klassifizierte diese (v.a. nach der Gestalt)
vermutete, dass es sich bei Nebeln um große weit
entfernte Sternenhaufen handelte, die mit den
damaligen Mitteln noch nicht aufgelöst werden
konnten
Theorie der Entstehung von Sternhaufen:
Schwerkraft macht aus losen Haufen dichter
gepackte Systeme ⇒ Begründer der Kosmologie
35
Andromeda-Galaxie
Orionnebel
Kugelsternhaufen M3
36
Herschel und die Doppelsterne
●
●
listete 848 Doppelsterne
entdeckte die Bewegung zweier physischer
Doppelsterne umeinander ⇒ schloss auf
gravitative Anziehung
⇒ Nachweis der Newtonschen Mechanik auch
außerhalb des Sonnensystems
37
Herschel und die Milchstraße
●
●
Methode der Sternzählungen zur Bestimmung der
Gestalt der Milchstraße (mit der Annahme dass die
absolute Helligkeit aller Sterne gleich ist):
●
viele Sterne/Fläche → weit bis zum Rand der Milchstraße
●
wenige Sterne/Fläche → Rand ist nahe
vermutete eine linsenförmige Milchstraße mit der Sonne
relativ nah am Zentrum
38
Die Grand Debatte 1920
●
●
●
grundsätzliche Frage: Handelt es sich bei den
„Spiralnebeln“ (z.B. Andromada-Nebel) um
große eigenständige Galaxien oder sind sie ein
kleiner Teil unserer Galaxie?
Harlow Shapley:
●
Spiralnebel Teil unserer Milchstraße
●
Sonne am Rand der Milchstraße
Heber Curtis:
●
Spiralnebel sind eigenständige Galaxien
●
Sonne im Zentrum der Milchstraße
39
Mount Wilson-Observatorium
●
●
wurde 1904 von George Ellery Hale gegründet
befindet sich in den San Gabriel Mountains in
Kalifornien
40
Hooker-Reflektor
●
●
●
wurde 1917 installiert
30 Jahre lang das größte
Teleskop der Welt
100 inch (2,54 m)
Spiegeldurchmesser
●
über 15 m Fokuslänge
●
ca. 100 Tonnen schwer
●
äquatoriale Montierung
41
Entdeckungen und Nachweise des
Mount-Wilson-Observatoriums
●
●
●
Nachweis, dass die Sonne nicht im Zentrum
der Milchstraße steht (Harlow Shapley)
Bestimmung der Entfernung von Galaxien
(Edwin Hubble, Cepheidenmethode)
Entdeckung der Expansion des Universums
durch die kosmologische Rotverschiebung
42
Vesto Slipher (1875-1969)
●
●
●
arbeitete am LowellObservatorium im Arizona
beobachtete als erster die
Radialgeschwindigkeit von
Galaxien und trug so die
Messdaten zusammen, die
u.a. Hubble auswertete
entdeckte 1912 durch
spektroskopische
Untersuchungen der Galaxien
erstmals die kosmologische
Rotverschiebung
43
Carl Wirtz
●
fand den Zusammenhang zwischen der
scheinbaren Helligkeit und der
Rotverschiebung von Nebeln
44
Carl Wirtz
●
●
●
konnte später zeigen,
dass daraus die
Korrelation von
Rotverschiebung und
Entfernung folgt
Problem: es fehlt ein
Maßstab, daher nur
relative Entfernung
glaubte damit das
statische Weltmodell de
Sitters nachgewiesen zu
haben
45
Cepheiden-Methode
●
●
●
1923 bestimmte Edwin Hubble damit die Entfernung zur
Andromeda-Galaxie
Cepheiden: „veränderliche“ Sterne, deren Helligkeit sehr
regelmäßig in der Zeit pulsiert
es gilt die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung:
M =− 2,902 log  P − 1,203
●
aus dem Unterschied zwischen der absoluten Helligkeit M und
der messbaren scheinbaren Helligkeit m kann man dann die
Entfernung D bestimmen:
D=10m − M 5/5
●
noch heute eines der wichtigsten Werkzeuge zur
extragalaktischen Entfernungsbestimmung
46
Einsteins statisches Universum
●
●
●
Einstein fügte in die Feldgleichungen der ART
eine „kosmologische Konstante“ ein, um ein
statisches Modell des Universums zu
ermöglichen
Gleichgewicht, das er damit schaffte stellte sich
später als instabil heraus
revidierte seine Annahme der kosmologischen
Konstante, nachdem Hubble 1929 ein
expandierendes Unisversum nachgewiesen
hatte
47
Georges Lemaitre und Alexander
Friedmann
●
●
●
durch Anwendung des kosmologischen Prinzips
(Homogenität und Isotropie des Raums) auf die
ART ⇒ Friedmann-Gleichungen
die Lösung der Friedmanngleichungen führen
zu einem expandierenden Universum
Lemaitre konnte die Steigung der Geraden
(Zusammenhang EntfernungRelativgeschwindigkeit) bestimmen
⇒ Hubblekonstante
48
Hubble-Relation
●
erstmals 1927 durch Georges Lemaitre formuliert
●
1929 erneut von Edwin Hubble veröffentlicht
v≈ H 0⋅D
v=c⋅z
wobei v die „Fluchtgeschwindigkeit“ ist und z die
Rotverschiebung
●
Die Hubblekonstante H 0 von Lemaitre auf
575
km
s MPc
geschätzt, von Hubble auf 500
heutiger Wert: 70
●
km
s MPc
km
s MPc
daraus moderne Abschätzung für Alter des
Universums: 13,7 Milliarden Jahre ( t =1/ H 0 )
49
Literatur
●
●
●
●
John North: Cosmos – An illustrated history of
astronomy and cosmology
Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009):
Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung
Welt der Wissenschaft (Ausg. November 2009):
Das Gesetz der Expansion wird 80
Fritz Krafft (Regiomontanusbote 2/2010):
Friedrich Wilhelm Herschel – Innovation durch
einen Außenseiter
50
Abbildungsverzeichnis
●
Folie 1: Webcam Mount Wilson
●
Folie 3: http://de.wikipedia.org/wiki/Claudius_Ptolem%C3%A4us
●
Folie 4: http://www.fherrgen.de/Down/Karikaturen/weltbild/WeltbildPtolemaeus150nach.jpg
●
Folie 5: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/69/EpizykelBahn.png
●
Folie 6: http://www.frombork.art.pl/Frombork-foto/k3.JPG
●
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Folie 7: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
title=Datei:De_Revolutionibus_manuscript_p9b.jpg&filetimestamp=20090502015023
Folie 9: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/df/ParallaxeV2.png
Folie 10: Tycho Brahe http://www.hps.cam.ac.uk/starry/tycho.html Uranienburg
http://www.vobam.se/Bilder/ven7.jpg
Folie 12: Cosmos S. 331
Folie 14: http://www.kepler-gesellschaft.de/KeplerFoerderpreis/2006/Platz1_Faecheruebergreifend/Technik.html
Folie 15: http://www.astronomie.de/technik/montierung/montierung.htm
Folie 16: http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/224058/94989/Justus-Sustermansportrait-of-Galileo-Galilei-date-unknown-oil-on
51
Abbildungsverzeichnis
●
Folie 17: Cosmos S. 362
●
Folie 18: http://www.venusfan.de/Phasen/Venuszyklus5.jpg
●
Folie 20: http://www.stkate.edu/physics/PHYS104SS/Block1/index.html
●
Folie 22: http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ph3_0203/p323_l03.htm
●
Folie 23: http://www.techfreaq.de/physikKepler.htm
●
Folie 25: Cosmos S. 388
●
Folie 26: Cosmos S. 388
●
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●
Folie 27: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:NasmythTelescope.svg&filetimestamp=20051118163707
Folie 29:
http://www.wikiwak.com/wak/Commons:File:Sir_Isaac_Newton_by_Sir_Godfrey_Kneller,_Bt.jpg
Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Aberration.png
Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
title=Datei:William_Herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153
Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:HerschelLomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516
Folie 34: Cosmos S. 441
52
Abbildungsverzeichnis
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Folie 31: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Aberration.png
Folie 32: http://de.wikipedia.org/w/index.php?
title=Datei:William_Herschel01.jpg&filetimestamp=20100221161153
Folie 33: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:HerschelLomonosov_reflecting_telescope.svg&filetimestamp=20070523041516
Folie 34: Cosmos S. 441
Folie 36: Andromeda-Galaxie http://www.guido-kueppers.de/images/fullsize/M31_2007-09-08.jpg
Orion-Nebel http://www.pflichtlektuere.com/07/07/2009/blick-vom-ruhrgebiet-in-denhimmel/orionnebel/ Kugelsternhaufen M3
http://www.astrotec.org/CMO_Astrobilder/Kugelsternhaufen/slides/M3_190407_SF2B_5m_LH_1024X682.html
Folie 38: Cosmos S. 447
Folie 40: http://hometown-pasadena.com/talk-of-our-towns/mt-wilson-threatened-station-fireupdate/
Folie 41: http://www.astrosurf.com/re/history_telescope.html
Folie 43: http://www.aip.org/history/cosmology/ideas/larger-image-pages/pic-expandingslipher.htm
Folie 44/45: Artikel Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
54