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Aus der Leuchtkraft auf die Entfernung schließen

Ins Rot verschoben

Von der Beobachtung naher Typ-Ia-Supernovae wissen wir, dass ihre maximale Leuchtkraft nur wenig schwankt. Sobald die Helligkeit eines Objekts bekannt ist, lässt sich seine sogenannte Leuchtkraft-Entfernung bestimmen. Dabei macht man sich den Umstand zunutze, dass Lichtquellen dunkler erscheinen, wenn sie aus größerem Abstand betrachtet werden.

Was Helligkeit und Spektrum verraten

Aus der scheinbaren Verdunkelung einer Supernova im Vergleich zu ihrer intrinsischen Helligkeit kann man folglich direkt ableiten, wie weit sie entfernt ist. Das Lichtsignal, das Typ-Ia-Supernovae aussenden, ermöglicht es uns daher, das Universum zu vermessen. Es ist ein bemerkenswerter Zufall und glücklicher Umstand, dass eine Klasse extrem leuchtstarker Ereignisse aufgrund ihrer gleichmäßigen Helligkeit geeignet ist, mit ihnen Abstände zu vermessen.

Edwin Hubble entdeckte die kosmische Expansion, indem er die Rotverschiebung verschieden weit entfernter Galaxien verglich. © NASA/ESA, STScI/AURA - Hubble Collaboration

Wegen der endlichen Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet, ist es nun aber so: Wenn wir weit entfernte astronomische Quellen beobachten, sehen wir nicht nur weit in den Raum hinaus, sondern auch weit zurück in die Vergangenheit. Das Universum dehnt sich aus, wie der amerikanische Astronom Edwin Hubble bereits in den 1920er Jahren zeigen konnte. Somit wird die Wellenlänge eines Lichtsignals auf dem Weg zu uns gestreckt.

Der Kosmos dehnt sich aus – immer schneller

Der Fachmann spricht von der kosmologischen Rotverschiebung, die durch die Verschiebung der Linien in Spektren gut bestimmt werden kann. Misst man den Abstand eines entfernten Objekts und bestimmt gleichzeitig seine Rotverschiebung, wird es möglich, die Geschichte der Expansion des Universums zu rekonstruieren. Diese Messungen erfolgten bereits in den 1990er Jahren mit großer Präzision.

Die Astronomen beobachteten entfernte Typ-Ia-Supernovae und kamen zu dem überraschenden Befund, dass sich das Universum in beschleunigter Weise ausdehnt. Diese Erkenntnis stellte das herrschende Weltbild der Physik grundsätzlich infrage und wurde im Jahr 2011 mit dem Nobelpreis für Physik bedacht. Als ursächlich für die beschleunigte Expansion gilt nach heutigem Kenntnisstand die sogenannte Dunkle Energie – deren physikalische Natur aber ist noch völlig unklar.

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Die Grafik zeigt die typischen Lichtkurven von Supernovae verschiedenen Typs. © NASA/CXC/ UC Berkeley/ N.Smith et al.

Die Frage nach dem physikalischen Mechanismus

Die bisherigen Studien zur Vermessung des Universums basieren auf der Annahme, genau zu wissen, wie hell Supernovae vom Typ Ia sind. In der Tat variieren sie in ihrer maximalen Leuchtkraft weit weniger als andere Supernovae-Typen. Dennoch gibt es Schwankungen, aufgrund derer es unmöglich ist, den Abstand wirklich präzise zu messen.

Die Astronomen behelfen sich hier mit einem Befund, der aus der Beobachtung naher Supernovae-Ereignisse stammt: Hellere Ereignisse fallen in ihrer Leuchtkraft langsamer ab als dunklere. Diese Erkenntnis verwenden die Wissenschaftler, um ihre Abstandsmessungen zu kalibrieren. Eine Erklärung für den unterschiedlichen Abfall in der Leuchtkraft steht bislang noch aus.

Sie ist aber wichtig, um begründen zu können, dass die Beziehung, die zur Kalibrierung eingesetzt wird, für alle Typ-Ia-Supernovae gilt – nicht nur für die beobachteten nahen, sondern auch für sehr weit entfernte Objekte. Immerhin beziehen die kosmologischen Abstandsmessungen Supernovae-Ereignisse ein, die sich abspielten, als das Universum nur halb so groß war wie heute. Es stellt sich also die Frage nach dem genauen physikalischen Mechanismus, der der astronomisch definierten Klasse von Typ-Ia-Supernovae zugrunde liegt.

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Friedrich Röpke, Universität Heidelberg/ Ruperto Carola
Stand: 06.05.2016

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Heller als Milliarden Sonnen
Supernovae vom Typ 1a als kosmische Leuchttürme

Hilfreiche Lichtblitze
Sternexplosionen als Werkzeug der Astronomen

Ins Rot verschoben
Aus der Leuchtkraft auf die Entfernung schließen

Kollaps oder Kernfusion
Supernovae haben zwei große stellare Energiequellen

Das Rätsel der Weißen Zwerge
Warum und wie explodieren die Zwergsterne?

Das Licht der Leuchttürme
Warum sind die Supernovae so hell?

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