Die Astronomie hat als Datenquelle fast nur die elektromagnetischen Wellen, die wir empfangen können. Wir können unmöglich zu anderen Sternen reisen, dort Messungen machen oder Proben von ihnen auswerten. Es ist deshalb umso erstaunlicher, wie viel die Astronomie (trotz dieser Einschränkung) vom Aufbau unseres Universums erklären kann.

Ein sehr wichtiges Werkzeug ist die sog. Rotverschiebung. Damit ist die Veränderung der Frequenz von elektromagnetischen Wellen hin zu längeren Wellenlängen bzw. tieferen Frequenzen.

Beim sichtbaren Licht ist rot das Licht mit der längsten Wellenlänge. Eine Verlängerung der Wellenlänge bedeutet deshalb eine Verschiebung im Regenbogenspektrum in Richtung zu rot. Analog dazu wird eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen (bzw. höheren Frequenzen) als Blauverschiebung genannt, weil blaues Licht die kürzeste Wellenlänge im Regenbogenspektrum hat.

Die Rotverschiebung ist die Verschiebung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle hin zu einer grösseren Wellenlänge. Eine Verkürzung der Wellenlänge wird entsprechend Blauverschiebung genannt.

Rot- und Blauverschiebungen haben verschiedene mögliche Ursachen. Die für uns Wichtigsten sind:

  • Doppler-Effekt aufgrund einer Relativgeschwindigkeit von Quelle und Beobachter
  • Ausdehnung des Universums (Kosmologie)

Die Rotverschiebung kann durchaus auch so stark sein, dass aus sichtbarem Licht von irgendeiner Farbe nicht rot, sondern Infrarot oder gar Mikrowellen entstehen!

Spektrallinien

Wie können wir wissen, dass eine Lichtwelle, die von einer Galaxie bis zu uns gewandert ist, verlängert worden ist oder nicht? Sie könnte ja von Anfang an eine längere Wellenlänge gehabt haben. Interessanterweise gibt es hier einen Trick!

Die häufig vorkommenden Stoffe haben aufgrund ihrer Elektronenstruktur ganz bestimmte Wellenlängen, die sie für die Anregung ihrer Valenzelektronen absorbieren. Bestrahlen wir diesen Stoff mit weissem Licht, d.h. einer Mischung von allen Wellenlängen des Regenbogens, so werden nur genau diese bekannten Wellenlängen absorbiert, so dass wir dort dünne schwarze Streifen erhalten, sog. Spektrallinien bzw. Absorptionslinien.

Andere Sterne strahlen auch mehr oder weniger weisses Licht ab. Es ist Wärmestrahlung, ein kontinuierliches Spektrum aller Farben. Je nach Temperatur des Sterns kann der Anteil an kurzwelligem blauen Licht überwiegen oder rotes Licht und Infrarotstrahlung dominieren, wie z.B. bei roten Riesen.

Dieses Licht passiert die Stoffe in der Atmosphäre des Sterns (Gashülle um den Stern herum) und kriegt deshalb seine typische Signatur von Absorptionslinien, die immer die gleichen Abstände zueinander haben.

Wenn dieses Gemisch von Licht jetzt eine Rotverschiebung erfährt, wird das ganze Spektrum gleich verschoben, d.h. die Signatur verschiebt sich ebenfalls. Der neue Ort der Absorptionslinien verrät uns, um wie viel die Frequenz insgesamt verschoben worden ist.

Rotverschiebung als Folge des Doppler-Effekts

Eine Ursache der Rotverschiebung kann der Doppler-Effekt für elektromagnetische Strahlung sein. Dieser Effekt entsteht, wenn sich die Lichtquelle und der Beobachter auseinander bewegen. Aufgrund der Rotverschiebung kann die Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Beobachter ermittelt werden.

Mit Rotverschiebungen können z.B. Rotationsgeschwindigkeiten von Spiralgalaxien berechnet werden, wenn die eine Seite der Spirale sich von uns weg bewegt und die andere Seite sich zu uns bewegt.

Rotverschiebung als Folge der Expansion des Universums

Als das ganze Universum noch intransparent und sehr heiss war, war es durch und durch von weissem Licht erfüllt, wie im Innern eines riesigen Sterns. Dieses “weisse Universum” kann heute noch gesehen werden!

Die Sonne, die wir sehen ist nicht die Sonne jetzt, sondern die Sonne vor etwas mehr als 8 Minuten. Das Licht der Sonne braucht so lange, bis es bei uns ankommt. Beim Licht des “weissen Universums” ist as ähnlich. Wenn es ein paar Milliarden Jahre lang wandern musste und es erst jetzt bei uns ankommt, dann sehen wir heute noch das Licht von damals.

Die Wellen sind mittlerweile aber so lang, dass wir von Mikrowellenstrahlung im Hintergrund sprechen. Dieses Strahlung wird mit CMBR abgekürzt und ist ein wichtiges Puzzle-Teil der Kosmologie, die sich mit dem Universum als Ganzes und seiner Ausdehnung vom Urknall bis jetzt befasst.

Tatsächlich ist der scheinbar schwarze Himmel gar nicht strahlungslos, sondern gefüllt von Mikrowellenstrahlung, die einmal weisses Licht war. Die Wellenlängen ergaben vor rund 13.5 Milliarden Jahren noch weisses Licht, d.h. die Wellenlängen hatten ein paar hundert Nanometer (sichtbares Licht). Heute empfangen wir diese Wellen mit Wellenlängen von knapp 2 Millimetern. Sie wurden mit einem Faktor in der Grössenordnung von $10^4$ gestreckt!

Neben der Mikrowellenstrahlung im Hintergrund hat die Astronomie auch beobachtet, dass weit entfernte Objekte (v.a. Galaxien) eine Rotverschiebung aufweisen. Aus diesen Beobachtungen konnte abgeleitet werden, dass das ganze Universum in Expansion ist und sich deshalb die Distanzen zu diesen entfernten Objekten mit der Zeit vergrössern und zu einer Rotverschiebung führen.