Rotverschiebung von Galaxien

[ralfkannenberg]

Hallo Alpha Centauris,

für die Erarbeitung diverser Reszensionen habe ich eine physikalische Frage zum Thema "Rotverschiebung von Galaxien":

Im astronews-Forum hat der User JoePopo im Thread "Kritiker der Relativitätstheorie machen mobil" am 19.2.2006 um 17:11 Uhr im Beitrag Nr.279 mit Bezug auf buch.pdf auf der Homebage von Ekkehard Friebe folgendes geschrieben:

[M_Hammer_Kruse]

Hallo Ralf,

der Text aus buch.pdf den Joe der Pöbler hier zitiert hat, stammt aus dem G.O. Muellerschen Kommentar zu Otto Bergs Buch "Das Relativitätsprinzip in der Elektrodynamik" von 1910.

Dazu erstmal eine historische Einordnung: Im Zitat ist nur von "Sternenlicht" die Rede, nicht von Galaxien. Das ist nicht verwunderlich, weil die Natur der Galaxien als eigene Sternsysteme damals noch gar nicht erkannt war:

1907 deutete Littrow in "Wunder des Himmels" die Andromeda-Galaxie mit ihrer Spiralstruktur noch als ein in der Entstehung befindliches Planetensystem, bei dem sich aus dem Kern der Zentralstern und aus den Spiralarmen die Planeten bilden würden. Das war damals die herrschende Auffassung.
1912 erst entdeckte Henrietta Swan Leavit mit ihren Untersuchungen an Veränderlichen in der Kleinen Magellanschen Wolke die Cepheidenmethode, die in den Folgejahren zum erstenmal eine Möglichkeit bot, die Entfernung von Galaxien zu ermitteln.

Bergs Buch liegt zeitlich genau dazwischen.

Erst dadurch wurde es möglich zu erkennen, daß es sich bei den Galaxien nicht um Objekte unserer Michstraße handelt.
Und in den 20er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts lagen dann genug Beobachtungsdaten und Messungen vor: Edwin Hubble erkannte, daß die aus der Cepheidenmethode ermittelten Entfernungen der Galaxien mit der Rotverschiebung ihrer Spektrallinien korrelieren. Damit war zunächst einmal eine weitere Methode zur Entfernungsbestimmung gefunden: Wo Galaxien zu weit entfernt sind, um einzelne Cepheiden beobachten zu können, zieht man die Rotverschiebung heran.

Gleichzeitig wirft das aber neue Fragen auf: Was verursacht die Rotverschiebung? Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Lösungsvorschläge: Eine Ausdehnung des Universums (und in der Folge eine Vergrößerung der Wellenlänge) oder eine "Ermüdung" des Lichts (also eine Verringerung der Frequenz, die prinzipiell auf einem Energieverlust bei gleichbleibender Geschwindigkeit oder einem Geschwindigkeitsverlust beruhen könnte).

Die Wissenschaft hat sich für die Hubblesche Ausdehnung des Universums entschieden. Die andern beiden Möglichkeiten würden zu Erscheinungen führen, von denen wir nichts beobachten können: Bei einer Frequenzverringerungs-Ermüdung müßte die Energie, die dem Licht abhanden kommt, irgendwo bleiben. Und bei einer Geschwindigkeits-Verringerung würde das Licht der Galaxien hier mit einer Gescheindigkeit deutlich unterhalb von c eintreffen. Für beides gibt es keinen Anschein.

Alles das wußte Otto Berg aber noch nicht. Bei ihm ist lediglich von der Linienverschiebung des Lichts von Sternen die Rede. Und damit kann vor dem Hintergrund der damaligen Kenntnisse lediglich die Rot- und Blauverschiebung gemeint sein, die man heranzieht, um die Radialgeschwindigkeitskomponente der Relativbewegung anderer Sterne der Milchstraße zu uns zu messen. Diese Linienverschiebungen kann man natürlich als relativistischen und auch als klassischen Dopplereffekt deuten. Das ist im Prinzip völlig egal. Denn die Relativgeschwindigkeiten, um die es hier geht (einige 10 km/s) sind so gering, daß man mit beiden Betrachtungen im Rahmen der Meßgenauigkeit dieselben Relativgeschwindigkeiten ermittelt.

Wenn JoePopo hier etwas von Galaxien und Infrarot schreibt, dann gibt es im Werk von Otto Berg mit Sicherheit keinen Bezug dazu. Die naive Frage, die er daran anschließend aufwirft, kann er aber auch unabhängig davon stellen, daß er den Hintergrund von Otto Berg hier falsch eingeordnet hat.

Allerdings ist seine Folgerung (woraus folgert er das eigentlich?), daß eine stark rotverschobene Galaxie "nur soviel Energie abstrahlt, wie ein kleiner Stern oder ein großer Planet" mal wieder typischer aus Unkenntnis gewachsener Unsinn.

Wenn ein Objekt, mit einer gewissen Leistung Energie abstrahlt, dann "verteilt" sich diese diese Energie mit Lichtgeschwindigkeit rundherum im Raum. Dabei sinkt die Energieflußdichte (Energie je Fläche und Zeit) mit dem Quadrat der Entfernung. Deshalb nehmen wir mit größerem Abstand eine gringere Intensität wahr. Wenn man die Energieflußdichte aber über eine Kugelschale mit der Quelle im Zentrum integriert, erhält man unabhängig vom Radius denselben Energiefluß (Energie je Zeit, also letztlich die Leistung), denn die Fläche wächst dafür ja mit dem Quadrat der Entfernung.

Dieser Gedanke spielt zum Beispiel eine Rolle, um die Strahlungsleistung der Sonne zu bestimmen. Da muß man nur die Solarkonstante wissen (1,37 kW/m²) und kann mit Hilfe des Radius der Erdbahn sofort ausrechnen, welche Leistung der Fusionsreaktor Sonne besitzt.

Wenn sich der Raum, in dem sich die Strahlung des Objekts ausbreitet, nun aber ausdehnt, dann wird die Strahlung im gleichen Maße langwelliger (also rotverschoben). Das ändert aber nichts daran, daß sich die gesamte Energie darin trotzdem wiederfindet. Die Energie, die sich ursprünglich in einer Zwiebelschale mit einer gewissen Dicke befand, ist dann in einer dickeren Schale. Im gleichen Maße, wie sich die Dicke verändert hat, hat sich dabei die Frequenz verringert. Und damit ist auch der Energieinhalt jedes Raumelements um denselben Faktor gesunken. Weil das Volumen des Raums aber im gleichen Maße gewachsen ist, wird dieser Effekt genau kompensiert.

Durch die Ausdehnung des Raums wird das Licht zwar rotverschoben, die Gesamtenergie der Strahlung ändert sich aber nicht. Und wenn man die Intensität des roten Lichts einer weit entfernten Galaxie mißt und dann unter Berücksichtigung ihrer Entfernung und der Ausdehnung des Raums ausrechnet, mit welcher Leistung diese das Licht abgestrahlt hat, dann kommt man auf eine ganz normale Strahlungsleistung einer Galaxie und nicht auf die "eines großen Planeten".

Gruß, mike

[ralfkannenberg]