Wie weit kann ein Teleskop sehen? Es gibt kein am weitesten, nur weiter ...

„Wie weit kann Ihr Teleskop sehen?“

Diese Frage wird bei der Arbeit in einem Observatorium häufig gestellt, die Antworten darauf sind für den Fragesteller jedoch oft nicht zufriedenstellend ...

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Der Ursprung des menschlichen Raum- und Zeitkonzepts muss mit dem Sternenhimmel über unseren Köpfen in Verbindung gebracht werden und sich dann auf das Universum erstrecken – alle Richtungen, oben und unten, alt und modern. Die Kontinuität, Periodizität und Orientierung, die der Sternenhimmel bietet, ziehen den Menschen lange Zeit zum Betrachten und Nachdenken an.

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So weit das Auge reicht

In einer klaren, mondlosen Nacht ohne Lichtverschmutzung ist der schwächste Stern, den Sie mit bloßem Auge sehen können, ein Stern der 6. Größenklasse (scheinbare Helligkeit), und die am weitesten entfernten Planeten, Sterne und Galaxien, die Sie sehen können, sind: Uranus, Eta Carinae und die Andromeda-/Triangulum-Galaxie.

〇Uranus

Dieser hellblaugrüne Planet ist durchschnittlich 2,5 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, hat eine Lichtlaufzeit von 2 Stunden und 40 Minuten, eine scheinbare Helligkeit von etwa 6 und kann während der Opposition (die einmal alle 1 Jahr und 4-5 Tage auftritt) eine maximale Helligkeit von 5,5 erreichen.

η Carinae

Es handelt sich um einen Stern am Südhimmel und einen der bisher von Menschen entdeckten Sterne, der jederzeit in einer Supernova explodieren kann. Er ist 7.500 Lichtjahre von der Erde entfernt und seine aktuelle scheinbare Helligkeit beträgt 4,3.

○V762 Cas Cassiopeia

Früher galt er als der am weitesten mit bloßem Auge sichtbare Stern (schätzungsweise 14.000 Lichtjahre entfernt), doch den neuesten Ergebnissen von Gaia EDR3 zufolge beträgt seine Entfernung nur etwa 2.500 Lichtjahre.

Darüber hinaus gibt es einige Sterne, die etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt sind und deren scheinbare Helligkeit am Rande dessen liegt, was mit bloßem Auge sichtbar ist. Es ist nicht sehr sinnvoll, darüber zu sprechen, welches am weitesten entfernt ist. Bei den meisten von ihnen handelt es sich um veränderliche Sterne mit sehr instabiler Helligkeit und die Daten zu ihrer scheinbaren Helligkeit sind möglicherweise nicht genau genug.

〇Andromedagalaxie M31/Dreiecksgalaxie M33

Sie sind 2,54 Millionen Lichtjahre bzw. 3 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und haben eine scheinbare Helligkeit von 3,44 bzw. 5,72. Sie stehen am Himmel etwa 15 Grad voneinander entfernt und sind beide auf dem Weg zur Milchstraße.

Natürlich gibt es auch vorübergehende astronomische Phänomene wie Supernovas und Gammastrahlenausbrüche, die die menschliche Sicht in kurzer Zeit auf Milliarden von Lichtjahren erweitern können.

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"Zeitmaschine" und "Horizon"

Die Verwendung der Zeit zum Ausdrücken von Entfernungen ist seit der Antike üblich. Die Verwendung von „Lichtjahren“ zur Angabe von Entfernungen in der Astronomie hat eine fast 200-jährige Geschichte. Einsteins Relativitätstheorie, die auf der experimentellen Tatsache beruht, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, verknüpft Zeit und Raum eng miteinander. Wenn Menschen zu den Sternen aufblicken, reisen sie tatsächlich in die Vergangenheit. Je größer die Entfernung, desto früher und älter ist die Zeit.

Die Erfindung des Teleskops hat die menschliche Sicht erweitert. Wie eine magische „Zeitmaschine“ gibt es uns die Möglichkeit, den „Horizont“ tief im Universum zu betrachten und die Vergangenheit des Universums zu durchschauen. Dies ist wahrscheinlich einer der Gründe, warum die Astronomie so attraktiv ist. Edwin Hubble sah es so: Die Geschichte der Astronomie ist die Geschichte eines zurückweichenden Horizonts.

Die Geschichte der Astronomie ist eine Geschichte zurückweichender Horizonte.

——Edwin Powell Hubble (1936)

„Das Reich der Nebel“

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Die am weitesten entfernten

Zurück zur Eingangsfrage „Wie weit können Sie sehen?“: Darauf gibt es eigentlich keine eindeutige Antwort. Wenn ein Teleskop erst einmal gebaut ist, können die Astronomen nur noch sagen, wie schwach die sichtbaren Objekte sind, nicht aber, wie weit sie entfernt sind.

Nehmen Sie als Beispiel das Hubble-Teleskop. Wenn Sie fragen, wie weit es sehen kann? Die Antwort ändert sich ständig, während die Astronomen darum wetteifern, neue Objekte zu finden, die ganz oben auf der Liste stehen. Hubble bricht ständig seine eigenen Rekorde und erweitert mit immer neuen Entdeckungen die Grenzen der menschlichen Fähigkeit, das Universum zurückzuverfolgen.

Das Hubble-Weltraumteleskop (HST) hat die Erforschung des frühen Universums revolutioniert. | Bildquelle: NASA/ESA

Vor dem Start des Hubble-Weltraumteleskops konnten erdgebundene optische Teleskope nur Himmelskörper mit einer Rotverschiebung von nicht mehr als 1 beobachten, was ungefähr der Hälfte des Alters des Universums vom Urknall bis zur Gegenwart entspricht. Hubbles jüngster Rekord hat eine Rotverschiebung von 11,1 erreicht, was etwa 3 % des Alters des Universums entspricht. Sein Nachfolger, das Joint Webb Telescope (JWST), wird in der Lage sein, das frühere und weiter entfernte Universum zu erforschen.

Machen wir nun eine Fahrt mit der „Zeitmaschine“ und zählen wir die am weitesten entfernten Objekte, deren Entdeckung bisher bestätigt wurde.

Der bisher am weitesten entfernte Himmelskörper | Bildquelle: siehe Anmerkung

Der erste Exoplanetenkandidat, M51-ULS-1b, der im Oktober 2021 vom Chandra-Röntgenteleskop in der 28 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie M51 entdeckt wurde, muss noch weiter bestätigt werden.

Anfang April 2022 entdeckte ein internationales Forschungsteam einen neuen Kandidaten für die am weitesten entfernte Galaxie, HD1, mit einer Rotverschiebung von 13,27, die 100 Millionen Jahre jünger als GN z11 und etwa 1,2 Milliarden Lichtjahre weiter entfernt ist. Allerdings müssen wir diesbezüglich vorsichtig optimistisch sein, denn die einzige Spektrallinie, die sie zur Bestätigung des Rotverschiebungswerts verwendet haben, ist nur ein vorläufiges Ergebnis von 4σ und man kann nicht sagen, dass es „durch Spektrallinien bestätigt“ sei.

Schematische Darstellung der Entwicklung des Universums. Die Kreise zeigen die am weitesten entfernten bestätigten Galaxien und Kandidatengalaxien an, GN z11 und HD1. | Bildquelle: Harikane et al., NASA, EST und P. Oesch/Yale

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Was sich ausdehnt, ist der Raum, was sich rot verschiebt, ist das Licht

Astronomen erforschen die Tiefen des Universums und studieren seine Geschichte, indem sie messen, wie stark die Wellenlängen der von weit entfernten Objekten emittierten Photonen durch die Ausdehnung des Weltraums gedehnt werden, die sogenannte Rotverschiebung z. Je größer der Rotverschiebungswert, desto größer die zeitliche und räumliche Distanz. Die Rotverschiebung, die der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) entspricht, beträgt etwa 1100, und das Universum hatte sich zu diesem Zeitpunkt bereits seit 380.000 Jahren entwickelt. Die präzise Bestimmung der Rotverschiebung wird durch eine Reihe von Spektralzertifizierungen erreicht. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung eines Himmelskörpers aufgespalten, ähnlich wie bei der Verwendung eines Prismas zur Erzeugung eines Regenbogens. Außerdem wird die Verschiebung der Spektrallinien bekannter Atome, Ionen oder Moleküle bei bestimmten Wellenlängen ermittelt, um die Rotverschiebung genau zu bestimmen.

Schematische Darstellung der Rotverschiebung des Lichts und der Änderung der räumlichen Distanz im expandierenden Universum | Quelle: Rob Knop

Das Licht weiter entfernter Galaxien ist jedoch so schwach, dass direkte spektrale Messungen manchmal nicht möglich sind. Stattdessen haben Astronomen einige clevere, grobe spektroskopische Techniken entwickelt, um die Rotverschiebung abzuschätzen.

Eine davon ist die sogenannte „Lyman-Break-Methode“. Dabei wird durch die Abdeckung verschiedener Filter vom optischen bis zum nahen Infrarotbereich eine breitere Spektralform erreicht und nach einer charakteristischen scharfen Stufe darin gesucht – dem „Lyman-Break“. Dieser entsteht durch das starke ultraviolette Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 91,2 Nanometern, das in den ersten Milliarden Jahren des Universums von Sternen und Galaxien ausgestrahlt wird und vollständig vom diffusen neutralen Wasserstoffgas absorbiert wird. Die Position des „Bruchs“ im Spektrum hängt von der Entfernung der Galaxie ab und ermöglicht somit eine Schätzung der Rotverschiebung der Galaxie.

Mit dieser Methode können Galaxien im frühen Universum gruppenweise herausgefiltert werden, ihre Identitätsbestätigung erfordert jedoch immer noch die Verwendung komplexerer Spektralmessungen zur Bestimmung des Rotverschiebungswerts. Zuvor können sie lediglich als Kandidaten bezeichnet werden.

In seinem 1936 erschienenen Buch „The Nebular World“ beschrieb Edwin Hubble die Erforschung des frühen Universums wie folgt: „Mit zunehmender Entfernung erschöpft sich unser Wissen über das Universum rapide. Schließlich erreichen wir den Rand der Dunkelheit – die Grenze der Erfassung durch Teleskope. Dort messen wir Schatten und suchen inmitten geisterhafter Messfehler nach kaum noch greifbaren Orientierungspunkten.“ Auch heute noch ist es sinnvoll, es zu lesen.

Mit zunehmender Entfernung schwindet unser Wissen, und zwar schnell. Irgendwann erreichen wir die dunkle Grenze – die äußersten Grenzen unserer Teleskope. Dort messen wir Schatten und suchen zwischen geisterhaften Messfehlern nach Orientierungspunkten, die kaum greifbarer sind.

——Edwin Powell Hubble (1936)

„Das Reich der Nebel“

Wenn wir das gegenwärtige Universum mit einem Hundertjährigen vergleichen, haben wir mit der „Zeitmaschine“ Fragmente von ihm gesehen, als er drei Jahre alt war, was fast die Grenze der Leistungsfähigkeit des Hubble darstellt. Die neue „Zeitmaschine“ JWST steht im Weltraum bereit und wird bald den Weckruf zur Erforschung des früheren Universums ertönen lassen. Dabei wird sie ständig neue Rekorde brechen, Tausende leuchtende Objekte der ersten Generation im Universum (Sterne, Galaxien usw.) entdecken und bis zur Wiege des Universums zurückverfolgen.

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Diejenigen, die unerreichbar sind

„Es gibt kein am weitesten entferntes, nur weiter …“ kann als Slogan für die menschliche Erforschung des Universums verwendet werden, aber tatsächlich gibt es immer noch ein am weitesten entferntes. Da die Existenzdauer des Universums (etwa 13,8 Milliarden Jahre) und die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, ist auch das „beobachtbare Universum“ mit einem Radius von etwa 46,5 Milliarden Lichtjahren begrenzt. Der Grund, warum dieser Radius viel größer als 13,8 Milliarden Lichtjahre ist, liegt darin, dass sich das Universum ständig ausdehnt.

Abschließend kommen wir noch einmal auf die Eingangsfrage zurück. Tatsächlich ist es sogar im Sonnensystem nicht so einfach, die Frage „Wie weit können wir sehen?“ zu beantworten. Während Astronomen den Horizont des Universums ständig in Richtung des Ursprungs der Zeit erweitern, haben sie nie aufgehört, den Rand des Sonnensystems zu erforschen. Wird der nächste „Farfarfarout“ heißen? Obwohl es unkreativ ist, beeinflusst es unsere Erwartungen überhaupt nicht.

Vergleich der Entfernung zwischen dem Asteroiden Farfarout und einigen Objekten des Sonnensystems (AE sind etwa 150 Millionen Kilometer) | Quelle: R. Candanosa, S. Sheppard und B. Bays

Während wir uns auf Webbs großartige Leistung freuen, dürfen wir Voyager 1 nicht vergessen, das menschliche Informationen transportiert und sich allein fortbewegt. Es ist das bemannte Raumschiff, das bisher am weitesten geflogen ist. Obwohl es weiß, dass es mindestens 10.000 Jahre dauern wird, wird es dennoch danach streben, aus dem Sonnensystem auszubrechen und Zeuge der Szenen jenseits des Randes des Sonnensystems für die Menschheit zu werden.

Voyager 1: Aktuell 23,27 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt | Quelle: NASA

Rotierender Chefredakteur: Du Fujun

Herausgeber: Wang Kechao