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Errötende Galaxien

Ein expandierendes Universum geht mit optischen Effekten einher, über die die Astronomen der Raumexpansions ab den 1920er Jahren überhaupt erst auf die Spur kommen konnten.

Exakt beschreiben lassen sich diese Effekte nur, wenn man die Expansion des Universums geometrisch beschreibt, so, wie es sich im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehört. Näherungsweise lassen sie sich aber auch ableiten, wenn wir die Abstandsänderungen nicht als Veränderung der Geometrie betrachten, sondern als "Bewegung" der beteiligten Galaxien, so, wie bei der Ableitung der Hubble-Beziehung geschehen.

Dann nämlich kann man den so genannten Dopplereffekt ins Spiel bringen den die meisten von uns aus dem Alltag kennen: Die Töne des Tatü-Tata eines Einsatzfahrzeugs klingen höher, wenn sich das Fahrzeug auf uns zubewegt und werden abrupt tiefer, wenn das Fahrzeug an uns vorbeifährt und sich nunmehr von uns wegbewegt. Die analoge Frequenzveränderung für Lichtwellen entspricht einer Verschiebung hin zum blauen Ende des Spektrums, wenn sich die Lichtquelle auf uns zu bewegt, und zum roten Ende, wenn sie sich von uns entfernt.

Die Hubble-Beziehung, nach der sich Galaxien aufgrund der Expansion umso schneller von uns weg bewegen, je weiter sie bereits von uns entfernt sind, wird damit zu einer Entfernungs-Rotverschiebungsbeziehung: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, umso stärker sollte ihr Licht in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben sein.

Die folgende Abbildung zeigt das 100-Inch-Teleskope des Mount Wilson-Observatoriums in Kalifornien:

Mt. Wilson: 100-Inch-Teleskop
[© The Huntington Library, San Marino, California. Used with permission]

An diesem Teleskop fand Edwin Hubble erstmals den Zusammenhang zwischen den Entfernungen und den Rotverschiebungen ferner Galaxien, der die Physiker auf den Weg hin zu relativistischen Modellen eines expandierenden Universums führte.

Für entferntere Galaxien wird wichtig, dass die Lichtwellen auch auf ihrem weiteren Weg durch den Kosmos von der Expansion in die Länge gezogen werden. Systematische Beobachtungen der Entfernungs-Rotverschiebungsrelation erlauben es, die freien Parameter zu bestimmen, die Einsteins Modelle offenlassen, insbesondere die mittlere Dichte des gesamten Weltalls. Sind diese Parameter bestimmt, dann ergeben sich aus den kosmologischen Modellen weitere Vorhersagen, etwa für die Häfigkeitsverteilung ferner Galaxien, anhand derer sich die Modelle auf die Probe stellen lassen. Bislang hat die Einsteinsche Kosmologie jeden dieser Tests bestanden.