Wenn wir den Nachthimmel betrachten, erscheinen Sterne und Galaxien nur als Lichtpunkte. Doch dieses Licht trägt detaillierte Informationen über die Temperatur, die chemische Zusammensetzung und die Bewegung seiner Quelle. Lässt man Sternenlicht durch ein Prisma oder einen Spektrografen fallen, erscheinen dünne dunkle oder helle Linien, die dem kontinuierlichen, regenbogenartigen Farbband überlagert sind. Diese Muster, Spektrallinien genannt, wirken wie ein Fingerabdruck für jedes chemische Element: Wasserstoff, Kalzium oder Eisen erzeugen stets Linien bei denselben Wellenlängen. Der Hinweis, der Astronomen erkennen ließ, dass sich das Universum ausdehnt, war, dass diese Linien gegenüber den im Labor gemessenen Positionen verschoben erscheinen.
Was ist Rotverschiebung?
Rotverschiebung ist der Effekt, bei dem die Wellenlängen des Lichts einer Quelle länger erscheinen, als sie sein sollten, verschoben zum roten Ende des Spektrums. Eine gedehnte Wellenlänge bedeutet zugleich eine niedrigere Frequenz und weniger Energie. Im umgekehrten Fall, wenn die Wellenlängen kürzer werden und sich zum blauen Ende verschieben, spricht man von Blauverschiebung.
Die Größe der Verschiebung wird üblicherweise durch eine dimensionslose Zahl ausgedrückt, die mit "z" bezeichnet wird, den relativen Unterschied zwischen der beobachteten Wellenlänge und der Ruhewellenlänge. Erscheinen etwa die Wasserstofflinien im Spektrum einer Galaxie alle um rund 10 Prozent länger, beträgt z ungefähr 0,1. Je größer z ist, desto weiter entfernt und desto früher in der kosmischen Geschichte stammt das Licht; die entferntesten heute beobachteten Galaxien haben z-Werte über 10.
Doppler-Verschiebung und kosmologische Rotverschiebung
Die Rotverschiebung wird oft mit der Sirene eines Krankenwagens verglichen, die beim Näherkommen höher und beim Entfernen tiefer klingt. Dieser Doppler-Effekt, der für Schallwellen gilt, funktioniert auch für Licht: Das Licht eines sich auf uns zubewegenden Sterns verschiebt sich ins Blaue, das eines sich entfernenden Sterns ins Rote. Eine Doppler-Verschiebung entsteht durch die Relativbewegung von Quelle und Beobachter durch den Raum und wird zur Messung der Geschwindigkeiten naher Sterne verwendet.
Die bei fernen Galaxien beobachtete Verschiebung ist jedoch ein anderes Phänomen. Wie die Europäische Weltraumorganisation (ESA) betont, wird diese "Expansionsrotverschiebung" nicht dadurch verursacht, dass Galaxien sich an einen Ort innerhalb des Raums bewegen, sondern durch die Ausdehnung des Raums selbst zwischen zwei Galaxien. Während sich der Raum, durch den das Licht reist, im Hintergrund dehnt, dehnt sich die Wellenlänge des Lichts mit ihm. Deshalb tritt eine Rotverschiebung auf, selbst wenn zwei Objekte relativ zum Raum völlig ruhen, solange der Abstand zwischen ihnen wächst. Die kosmologische Rotverschiebung ist daher nicht exakt dasselbe wie der klassische Doppler-Effekt.
Das Hubble-Gesetz: Die Verbindung zwischen Entfernung und Geschwindigkeit
1912 entdeckte Henrietta Swan Leavitt einen Zusammenhang zwischen der Pulsationsperiode und der wahren Helligkeit veränderlicher Cepheiden-Sterne und ebnete so den Weg zur Messung kosmischer Entfernungen. In den 1910er-Jahren zeigte Vesto Slipher, dass die Spektren der damals "Spiralnebel" genannten Objekte überwiegend zum Rot verschoben waren. 1927 leitete der belgische Astronom und Priester Georges Lemaître aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Lösung für ein expandierendes Universum ab und sagte voraus, dass Galaxien sich mit zu ihrer Entfernung proportionalen Geschwindigkeiten entfernen sollten.
1929 belegte Edwin Hubble diesen Zusammenhang beobachtend anhand von Messungen am Mount-Wilson-Observatorium: Je weiter eine Galaxie entfernt war, desto schneller entfernte sie sich. Die Beziehung wird einfach als v = H0 x d geschrieben, wobei v die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie, d ihre Entfernung und H0 die als Hubble-Konstante bekannte Proportionalitätskonstante ist. Heute wird das Gesetz zu Ehren der Beiträge beider Wissenschaftler Hubble-Lemaître-Gesetz genannt.
Was bedeutet die Ausdehnung des Universums?
Dass sich jede Galaxie von uns zu entfernen scheint, bedeutet nicht, dass die Milchstraße im Zentrum des Universums steht. Die Rosinenbrot-Analogie der ESA erklärt dies gut: Während der Teig im Ofen aufgeht, entfernt sich jede Rosine von jeder anderen, und auf welcher Rosine man auch sitzt, man sieht alle Nachbarn sich entfernen. Was sich im Universum ausdehnt, ist nicht die Leere, durch die sich Galaxien bewegen, sondern das Gefüge des Raums selbst.
Wird diese Ausdehnung "zurückgespult", führt sie zu einem Anfang, in dem alle Materie und Energie in einem weit heißeren, dichteren und kleineren Zustand versammelt waren. Diese von Lemaître erkannte Schlussfolgerung bildet die Grundlage des Urknallmodells. Der Wert der Hubble-Konstante liefert zugleich eine grobe Schätzung des Alters des Universums; aktuelle Messungen deuten auf ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren hin.
Die Hubble-Konstante und die "Hubble-Spannung"
Die Hubble-Konstante wird üblicherweise in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc) angegeben: Zwei Punkte, die einen Megaparsec (etwa 3,26 Millionen Lichtjahre) voneinander entfernt sind, entfernen sich mit dieser Geschwindigkeit voneinander. Das Problem ist, dass die beiden verschiedenen Methoden zur Messung der Konstante nicht übereinstimmen.
Die auf dem nahen Universum beruhende Methode der "kosmischen Entfernungsleiter" nutzt Cepheiden-Sterne und Supernovae vom Typ Ia Stufe für Stufe und gelangt zu einem Wert von etwa 73 km/s/Mpc. Daten des Planck-Satelliten, der die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung untersucht, das fossile Licht des frühen Universums, ergeben in Kombination mit dem Standardmodell der Kosmologie etwa 67,5 km/s/Mpc. Wie die NASA erläutert hat, ist der Unterschied zwischen diesen beiden Ergebnissen eine anhaltende Diskrepanz, deren Wahrscheinlichkeit, ein statistischer Zufall zu sein, nur eins zu einer Million beträgt. Dieser Widerspruch, Hubble-Spannung genannt, könnte entweder auf noch nicht gefundene systematische Fehler in den Messungen oder auf neue Physik jenseits des bisher Bekannten hindeuten; er ist heute eine der lebhaftesten Debatten der Kosmologie.
Was verrät uns die Rotverschiebung noch?
Die Rotverschiebung beweist nicht nur die Ausdehnung, sie dient auch als eine Art Zeitmaschine. Das Licht einer Galaxie mit hohem z-Wert machte sich vor Milliarden Jahren auf den Weg, sie zu untersuchen bedeutet also, in die Jugend des Universums zu blicken. Infrarot-Observatorien wie das James-Webb-Weltraumteleskop wurden genau dafür entworfen, das Licht sehr ferner, stark rotverschobener Objekte einzufangen.
Rotverschiebungsmessungen sind außerdem die Grundlage für Bemühungen, Galaxien dreidimensional zu kartieren, die Verteilung der dunklen Materie nachzuzeichnen und die "dunkle Energie" zu erforschen, die gezeigt hat, dass sich die Ausdehnung des Universums in den letzten Milliarden Jahren beschleunigt. Eine Geschichte, die vor einem Jahrhundert mit einer kleinen Verschiebung dunkler Linien begann, steht heute im Zentrum der Bemühungen, Vergangenheit und Zukunft des Kosmos zu verstehen.
Quellen
- NASA StarChild - "Redshift and Hubble's Law": https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html
- Europäische Weltraumorganisation (ESA) - "What is 'red shift'?": https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/What_is_red_shift
- NASA Science - "Hubble Reaches New Milestone in Mystery of Universe's Expansion Rate": https://science.nasa.gov/missions/hubble/hubble-reaches-new-milestone-in-mystery-of-universes-expansion-rate/