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Notizen zum gleichnamigen Vortrag von Tom MÝller
gehalten am 14. Oktober 2000 im Vereinslokal der AAL in DÝdelingen (L)
1. Vorbemerkung
Die folgende Vortragsnotiz fasst die wichtigsten Konzepte und wissenschaftlichen Entdeckungen (in bezug auf das Sonnensystem) zusammen, die im Laufe der letzten fÝnfhundert Jahren ausgearbeitet und Ýberliefert wurden.
Dabei wird bewuút darauf verzichtet, im Detail auf die jeweiligen politischen und religiÆsen Hintergrunde einzugehen, die im Laufe dieser Zeit vorherrschten und sich teilweise hemmend, teilweise fÆrdernd auf die Entwicklung der Astronomie und der Naturwissenschaften im allgemeinen ausgewirkt haben.
Die eigentliche Abhandlung wird durch zahlreiche Fussnoten ergÄnzt, die sich vor allem an jÝngere Leser und Neulinge auf dem Gebiet der Astronomie richten, sowie durch einen mathematischen Anhang im Anschluss an den Hauptteil abgerundet.
2. Das Sonnensystem
Als Sonnensystem bezeichnen wir den Raum, welcher der gravitionellen Wirkung (1) der Sonne so stark unterworfen ist, dass die in ihm enthaltenen KÆrper einer Umlaufbahn um die Sonne nachgehen. Die Sonne ist dabei als Fixstern anzusehen. Die sie umrundenden KÆrper unterteilen sich in vier grÆúere Gruppen:
GrÆúere Planeten (9)
Monde (oder Satelliten) von Planeten
Kleinere Planeten (Asteroiden, Planetoiden)
Kometen
Aufgrund einfacher ýberlegungen (z.B. aufgrund des Newton´schen Gravitationsgesetzes) kÆnnen wir annehmen, dass das eigentliche Sonnensystem Kugelgestalt besitzt, wobei sein Radius auf etwa 7.10 hoch 15 m (d.h. 7000000000000000 m (15 Nullen) geschÄtzt wird.
Im Folgenden tritt ebenfalls die sogenannte Astronomische Einheit (AE) als Maúeinheit auf, was der mittleren Distanz zwischen der Erde und der Sonne, also etwa 150 000 000 km, entspricht. Die Gesamtmasse des Sonnensystems belÄuft sich auf etwa 2.10 hoch 30 kg, wobei die Sonne selbst mehr als 99% dieser Masse ausmacht.
Die Sonne ist auúerdem der einzige HimmelskÆrper im Sonnensystem, der (im optischen Spektrum) selbstleuchtend ist, d.h. der sein eigenes sichtbares Licht produziert.
Alle anderen Objekte sind nur aufgrund ihres Albedos (d.h. wegen ihrer FÄhigkeit das Sonnenlicht zu reflektieren) fÝr den Menschen sichtbar. Die Tabelle 1 zeigt einige physikalische und geometrische Daten der wichtigsten Objekte des Sonnensystems.
3. Die Entdeckung des Sonnensystems und seiner Gesetze
Im Jahre 1543 wurde in NÝrnberg ein Buch verÆffentlicht, das die Weltanschauung des Abendlandes (und spÄter der gesamten Welt) nachhaltig beeinflussen sollte. Das Buch mit dem Titel „De revolutionibus orbium coelestium” enthielt das geometrische Modell eines Sonnensystems, d.h. eines Systems in dem die Planeten (und damit auch die Erde) um die fest im Mittelpunkt stehende Sonne revoltieren (2).
Hinzu kam auch die Idee, dass sich die Erde zusÄtzlich um ihre eigene Achse drehen sollte, was die Erscheinungen von Tag und Nacht erklÄren wÝrde. Autor dieses Werkes war der Domherr von Frauenburg (Preussen) Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543).
Der Geistliche hatte aus eigenen astronomischen Beobachtungen Argumente zusammengelegt, die das, damals allgemein anerkannte PtolemÄische Weltbild (3) in Frage stellten und fÝr ein heliozentrisches (4) System sprachen.
Gewidmet war das Buch dem damaligen Papst.
Die kopernikanischen Ideen, die im groúen und ganzen unserer heutigen Sicht des Sonnensystems entsprachen, wurden spÄter von Galilei und Kepler aufgegriffen, denen neue Entdeckungen gelangen, welche dem geozentrischen (3) System einen definitiven Todesstoú versetzten.
So hatte der florentinische Gelehrte Galileo Galilei (1564 – 1642), der heute allgemein als Vater der heutigen Physik gilt, gezeigt, dass alle KÆrper auf der Erde mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, eine Tatsache die von Aristoteles bestritten wurde.
Dieser war nÄmlich der Meinung gewesen, dass schwere Dinge schneller zu Boden fallen mÝssten als leichte.
Aufgrund der von Galilei aufgestellten Pendelgleichung gelang es diesen Irrtum zu widerlegen. Galilei war ebenfalls der erste, der das in den Niederlanden (vom Brillenmacher Hans Lippershey) entwickelte Fernglas verbesserte und fÝr astronomische Beobachtungen verwendete. Im Jahre 1610 richtete er seinen Refraktor (5) auf den Jupiter ;
was er dort sah war ein erstes Erdbeben, das sich an den Fundamenten des Aristotelischen WeltgebÄudes zu schaffen machte.
Zum Einen zeigte sich Jupiter als klar auflÆsbare Scheibe (und nicht wie die Fixsterne als bloúe Lichtpunkte), zum anderen wurde der Planet von vier schwÄcheren Lichtpunkten begleitet, die sich auf einer Achse um ihn versammelten.
Nach wiederholten Beobachtungen, bei denen Galilei die relativen Positionen der fÝnf Gestirne stÄndig verÄndert vorfand, kam er zum Schluss, dass die vier Sterne „Monde” des Jupiters sein mÝssen.
Zu Ehren des Herzogs von Florenz, der dem Hause der Medici angehÆrte, taufte Galilei die neuentdeckten HimmelskÆrper „Medicische Sterne”, ein Name, der sich allerdings nie so recht durchsetzen konnte ; heute sind die vier Objekte unter den Namen „Io”, „Europa”, „Callisto” und „Ganymed” bekannt.
Zum ersten Mal war es gelungen, HimmelskÆrper zu beobachten, die in erster Linie nicht um die Erde revoltierten. Auúerdem entdeckte er, dass die Venus, Ähnlich wie der Mond, ein PhasenphÄnomen aufweist, also nicht immer als vollstÄndige Scheibe erscheint.
Hinzu kommt, dass der scheinbare Durchmesser (6) der Venus sich mit den Phasen stÄndig verÄndert und zwar ist er bei „Vollvenus” am kleinsten (der Planet also am weitesten von der Erde entfernt), wÄhrend er kurz vor dem „optischen Verschwinden” des Planeten sein Maximum aufweist ;
ein Beweis fÝr eine Revolution der Venus um die Sonne. Bei seinen Saturnbeobachtungen entdeckte er, dass „Saturn von zwei kleineren Gestirnen an seinen Flanken” begleitet wurde.
Um diese „Gestirne” als Ring zu deuten, reichte die AuflÆsung seines Teleskopes nicht aus.
Die Ehre den Saturnring, genau wie den grÆúten Saturnsatelliten (7) , Titan, entdeckt zu haben (1655/56), gebÝhrt dem niederlÄndischen Astronomen und Physiker Christiaan Huygens (1629 – 1695), dem ebenfalls die erste Bestimmung der Rotationsdauer des Mars (die etwa 24 Stunden betrÄgt) gelang.
Galilei entdeckte auúerdem Gebirge auf dem Mond und beobachtete Flecken auf der OberflÄche der Sonne, was Aristoteles aufgrund der gÆttlichen Natur aller auúerhalb der Erde bestehenden Objekte ausgeschlossen hatte.
Dank der Bewegung der Sonnenflecken stellte Galilei ebenfalls fest, dass die Sonne rotiert und knapp 25 Tage benÆtigt um sich einmal um sich selbst zu drehen.
Seine Resultate, die bewiesen, dass das alte Model wesentlich gravierendere Fehler enthielt, als die geometrischen Probleme, die PtolemÄus mit seinem Epizyklenmodell zu lÆsen versucht hatte, verÆffentlichte Galilei in seinen zahlreichen BÝchern, wie dem „Siderius Nuntius” (Latein, 1610), dem „Il Saggiatore” (Italienisch, 1623) und dem „Dialogo sopra I due massimi sistemi del mondo” (Italienisch, 1632),
Werke die spÄter zu den Grundlagen der Vertreter des kopernikanischen Systems wurden.
Die Bestrebungen Galileis, Beweise fÝr Kopernikus´ Behauptungen zu finden und die gefundenen zu verÆffentlichen, brachten ihn in Konflikt mit der katholischen Kirche, die sich versessen darum bemÝhte, das alte PtolemÄische Weltbild aufrecht zu erhalten, setzte dieses doch den Menschen als Krone der gÆttlichen SchÆpfung in den Mittelpunkt des Universums (was der Kirche natÝrlich ihre GlaubwÝrdigkeit und Berechtigung sicherte),
wÄhrend das neue System mit dieser uralten Ansicht brach und den Menschen zu einem „unwichtigen” Bewohner eines die Sonne umrundenden Planeten machte.
Florenz, im Wirkungsraum des Vatikans liegend, lieferte Galilei aus, so dass dieser 1633, nachdem man ihm die FoltergerÄte gezeigt und ihn an des Schicksal Giordano Brunos (8) erinnert hatte, in Rom zum AbschwÆren seiner Theorien bewegt werden konnte.
Den Rest seines Lebens verbrachte er unter Hausarrest in einer kleinen Villa in Arcetri nahe Florenz, was ihn jedoch nicht davon abbringen konnte weiter an seinen Theorien zu arbeiten. Es gelang ihm sogar ein letztes Werk aus dem Land schmuggeln zu lassen : Seine „Discorsi e dimostrazioni interno a due nuove science” erschienen 1638 in den Niederlanden und waren das letzte bedeutende wissenschaftliche Werk vor Newtons Naturphilosophie.
Johannes Kepler (1571 – 1630), ein Zeitgenosse Galileis, der mit letzterem auch in Briefkontakt stand, war der Gehilfe des dÄnischen Astronomen Tycho Brahe (9) (1546 - 1601), der in seinen letzten Jahren Hofastronom Kaiser Rudolfs II. in Prag und nach seiner VerÆffentlichung Ýber die Supernova (10) von 1572 in ganz Europa bekannt geworden war.
Tycho hatte Nacht fÝr Nacht die genauen Positionen des Planeten Mars bestimmt und alle mÆglichen Daten gesammelt. Diese erlaubten Kepler die Sonnenumlaufbahn des roten Planeten (11) zu bestimmen.
Dabei gelangte er zu einer verblÝffenden Einsicht :
Mars bewegte sich nicht wie bisher angenommen auf einer Kreisbahn, sondern auf einer Ellipsen-Trajektorie in deren einem Brennpunkt sich der Mittelpunkt der Sonne befindet.
Ebenfalls fiel ihm das regelmÄúige physikalische Verhalten des Planeten auf : je nÄher Mars an der Sonne war um so schneller bewegte er sich.
ähnliche Erscheinungen konnten auch bei den anderen Planeten beobachtet werden, was Kepler dazu verleitete die Planetenbewegungen auf drei grundlegende geometrisch – physikalische Gesetze, die heute seinen Namen tragen, zurÝckzufÝhren.
VerÆffentlicht hat Kepler seine Ergebnisse in der „Astronomia Nova” (1609) und den „Harmonices Mundi” (1619).
Das theoretische Fundament fÝr die Entdeckungen Keplers (und Galileis) entwickelte der EnglÄnder Isaac Newton (1643 - 1727).
Er arbeitete auf fast allen Gebieten der damaligen Physik und Mathematik, doch zu seinen wichtigsten Arbeiten zÄhlen sicherlich die Schriften Ýber Optik und sein Jahrtausendwerk Ýber die Mechanik mit dem Titel „Philosophiae naturalis principia mathematica” („Mathematische Grundlagen der Naturphilosophie”) aus dem Jahre 1687.
Er formulierte das sogenannte Newton´sche Gravitationsgesetz, das die Anziehungskraft zwischen zwei Massen beschreibt und somit erlaubt das physikalische Verhalten von massiven KÆrpern (also auch der Planeten) zu bestimmen. Neu war dabei das Konzept der sogenannten kontaktlosen Kraft, d.h. die beiden Massen stehen nicht in direkter BerÝhrung zueinander und trotzdem wirken sie gegenseitig aufeinander ein.
Das Gravitationsgesetz erlaubte den mathematischen Beweis des dritten Kepler´schen Gesetzes zu liefern (siehe Anhang), das besagt, dass fÝr alle Planeten, welche die Sonne umrunden, die Umlaufzeit im Quadrat proportionell zur dritten Potenz der groúen Halbachse der Umlaufbahn sein muss. Doch damit nicht genug, es erlaubt sogar das dritte Gesetz auf alle HimmelkÆrper des Sonnensystems, die eine periodische Umlaufbahn besitzen, zu Ýbertragen.
Wir verdanken Newton ebenfalls die Entwicklung des ersten brauchbaren Spiegelteleskops, auf dessen grundlegenden Prinzipien auch heute noch alle groúen Teleskopen der Welt beruhen. Newton hatte so den theoretischen und praktischen Grundstein fÝr die eigentliche Entdeckung des heute bekannten Sonnensystems gelegt.
So wurde es nach langer Zeit auch wieder mÆglich Teile des Sonnensystems auszumessen : Man kannte ja seit der Antike die ungefÄhren geometrischen Eigenschaften des Systems Erde – Sonne – Mond.
(So hatte Erathostenes den Erdumfang (und den Erdradius) bestimmt, wÄhrend Aristarchos von Samos die Entfernung Erde – Sonne aus einer geometrischen Messung ableitete. Schlieúlich ermittelte Hipparchos mit einer noch heute angewendeten Parallaxenmethode die Entfernung Erde – Mond.)
Somit war es ein Leichtes die Konstante des dritten Kepler´schen Gesetzes fÝr die Erde zu bestimmen, die folglich auch fÝr alle anderen Planeten ihre GÝltigkeit besaú. Gelang es nun die synodischen Umlaufszeiten der Planeten zu bestimmen, konnte man ihre mittlere Entfernung zur Sonne leicht berechnen.
Eine weitere bedeutende Anwendung der Newton´schen Himmelsmechanik leistete der englische Naturwissenschaftler Edmund Halley. Dieser berechnete 1705 die Bahnen von 24 Kometen (12) , die in den drei vorigen Jahrhunderten beobachtet worden waren und kam zu einer verblÝffenden Erkenntniss :
die Kometen, die 1531, 1607 und 1682 beobachtet worden waren, besaúen fast identische elliptische Bahnen um die Sonne, was die Vermutung nahe legte, dass die drei Erscheinungen durch einen einzigen Kometen erzeugt worden waren, der alle 76 Jahre wiederkehrte. Seinen nÄchsten VorÝbergang an der Sonne sagte Halley fÝr das Jahr 1759 voraus.
Halley konnte die Richtigkeit seiner Aussage leider nicht mehr ÝberprÝfen, da er im Jahre 1742 starb. Der Komet kehrte jedoch wie berechnet zurÝck und wurde Weihnachten 1758 von einem jungen deutschen Amateurastronom wiederentdeckt. Seitdem trÄgt der Komet den Namen „Halley”. Die letzte SonnennÄhe erreichte der Halley´sche Komet im Jahre 1986, seine nÄchste RÝckkehr wird fÝr das Jahr 2061 erwartet.
Nach 1759 brach eine richtige Kometenjagd in der Welt der Astronomie aus, die bis heute anhÄlt. Zu den erfolgreichsten „JÄgern” zÄhlen heute die Franzosen Charles Messiers (1730 – 1817) (13 Kometen), Jean – Louis Pons (1761 – 1831) (37 Kometen), sowie das amerikanische Ehepaar Carolyn und Eugene Shoemaker (zweite HÄlfte des XX. Jhd).
Heutzutage sind Ýber 3000 Kometen bekannt, wovon jedoch nur die wenigsten ausreichend lichtstark wurden, um die Aufmerksamkeit des breiten Publikums auf sich zu ziehen.
4. Neue HimmelskÆrper
Seit dem Altertum sind sieben „bewegliche” HimmelskÆrper vor der Kulisse der Fixsterne bekannt : Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn.
Galilei hatte 1610 vier neue Objekte entdeckt, Huygens 1655 den Saturnsatellit Titan. Warum sollte es denn keine weiteren interessanten Dinge im Sonnensystem zu entdecken geben?
Zuerst waren es die bekannten Planeten, die die Aufmerksamkeit der ambitionierten Astronomen der ganzen Welt auf sich zogen.
So beschÄftigte sich der italienische Astronom Giandomenico Cassini (1625 – 1712) mit ausfÝhrlichen Beobachtungen des Saturns. Dabei fiel ihm auf, dass der zwanzig Jahre zuvor durch Huygens beschriebene Ring, durch einen dunklen Einschnitt in zwei verschiedene Teile getrennt wird. Heute ist diese dunkle Trennlinie nach ihrem Entdecker benannt. Cassini entdeckte auúerdem vier weitere grÆúere Satelliten des Saturn : Japet (1671), Rhea (1672), sowie Dione und Thetys (1684).
Die erste bedeutende Neuentdeckung geht jedoch auf den in England lebenden Musiklehrer und Amateurastronomen William Herschel (1738 – 1822) zurÝck.
Auf der Suche nach Doppelsternen, kartographierte er systematisch den Himmel, als ihm am 17. MÄrz 1781 ein besonderes Objekt auffiel, das sich bei zunehmender VergrÆsserung in seinem 16-cm-Reflektor als Scheibe auflÆsen lieú.
Nach einer anfÄnglichen Vermutung, es kÆnnte sich hierbei um einen Kometen handeln, zeigte der schwedische Mathematiker Anders Lexell (1740 –1784), dass die Bahnelemente des HimmelskÆrpers denen eines Planeten entsprachen.
Die Entdeckung dieses bisher unbekannten Planeten machte Herschel weltberÝhmt. Er erhielt eine Anstellung als Astronom am englischen Hof, was ihn wohl auch dazu veranlasste den neuen Planeten „Georgium Sidus” (zu Ehren des englischen KÆnigs George III) zu nennen.
Der heute gebrÄuchliche Name „Uranus” wurde vom deutschen Astronomen Johann Bode (1747 – 1826), von dem im folgenden noch Æfters die Rede sein wird, eingefÝhrt.
Wenig spÄter gelang es Herschel auch noch zwei Satelliten des Uranus, Oberon und Titania (1787), sowie zwei weitere Trabanden des Saturns (Mimas und Epimetheus (1789) ) zu entdecken.
Man hatte lange Zeit nach einer Verteilungsfunktion fÝr die Planeten gesucht.
Dem deutschen Mathematiker Johann Tietz (1729 – 1796), genannt Titius, war es als Erstem gelungen, eine solche Funktion zu konstruieren. Titius Resultate wurden spÄter von Bode verÆffentlicht.
Das Gesetz von Titius – Bode ist eine Zahlenfolge, welche die mittlere Sonnenentfernung D der einzelnen Planeten in AE widerspiegelt :
D=0,4+0,3x2n
Die Variable n ist dabei fÝr jeden Planeten wohlbestimmt, wie folgenden Tabelle zeigt :
| n |
D(AE) |
Name |
| ¥ |
0,4 |
Merkur |
| 0 |
0,7 |
Venus |
| 1 |
1,0 |
Erde |
| 2 |
1,6 |
Mars |
| 4 |
5,2 |
Jupiter |
| 5 |
10,0 |
Saturn |
| 6 |
19,6 |
Uranus |
Wir sehen dass fÝr n = 3, also zwischen Mars und Jupiter, kein Planet bekannt war.
Die Entdeckung des Uranus hatte die Richtigkeit der Zahlenfolge gezeigt.
Folglich musste ein von Titius und Bode in einer Sonnenentfernung von etwa 2,8 AE
vorausgesagter HimmelskÆrper existieren.
Zahlreiche systematischen Beobachtungen wurden angestrengt um den „verlorenen” Planeten
zu entdecken, alle jedoch ohne Erfolg.
Erst am Neujahrsabend von 1801 gelang es dem italienischen Astronomen Guiseppe Piazzi (1746 – 1826),
der damals Direktor des Observatoriums von Palermo war, ein Objekt zu beobachten,
das stÄndig seine relative Position bezÝglich den anderen Sternen verÄnderte.
Piazzi glaubte zuerst, es handle sich um einen Kometen, jedoch gelangte man Dank der Umlaufbahnberechnungen
von Bode und Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855) bald zur Einsicht, dass es sich um einen
planetenÄhnlichen KÆrper handelte, der auf einer elliptischen Bahn um die Sonne revoltierte.
Interessant dabei ist, dass seine mittlere Sonnenentfernung mit der fÝr n = 3 berechneten Ýbereinstimmt.
Piazzi selbst taufte das Objekt auf den Namen „Ceres”.
Nun dauerte es nicht lange bis in der gleichen Region des Sonnensystems weitere kleinere Planeten entdeckt wurden:
Im MÄrz 1802 gelang Wilhelm Olbers (1758 – 1840) die erste Beobachtung des Planetoiden „Pallas”.
Zwei Jahre spÄter folgte die Entdeckung von „Junon” durch Carl Harding (1765 – 1834).
Heute weis man, dass sich zwischen Mars und Jupiter ein richtiges Planetoiden – Feld mit mehreren Zehntausenden von Objekten befindet.
Die rasche Evolution des Teleskops, sowie au | | |
