Wie orientiert man sich im Weltall?
Die Frage, ob es im Weltraum ein "Oben" oder "Unten" gibt, wurde auf dieser Plattform ja schon mehrmals gestellt, allerdings fand ich die gegebenen Antworten nicht unbedingt sehr hilfreich. Leider ist es ja bei solchen Fragen immer so, dass die Antwort meistens "Das würde keinen Sinn machen" lautet. Beantwortet ist damit aber leider nichts.
Nun zur Frage: Wir befinden uns doch in einem dreidimensionalen Raum. Ich kann die Position eines Objektes im Raum anhand von X,Y,Z-Koordinaten bestimmen. Warum kann ich dies im Weltraum nicht tun? Das würde ja bedeuten, dass wir es mit einem zweidimensionalem Raum zu tun haben, der nur X und Y, aber keine Z-Achse kennt. Das ist doch Blödsinn. Im Sonnensystem sind vielleicht noch alle Planeten auf der gleichen "Höhe" und auch unsere Galaxie hat eine "flache" Struktur, aber wir sieht es dann mit den anderen Galaxien im Universum aus. Diese befinden sich doch nicht auf der gleichen "Höhe" oder?
Fragen wir mal ganz praktisch: Wenn ich mit einem Raumschiff von der Erde zur Andromeda-Galaxie reisen wollen würde, wohin würde ich dann fliegen? Müsste ich mit meinem Raumschiff "absinken" oder "aufsteigen"? Oder ist alles auf der gleichen Ebene? Und wenn ja, was würde passieren, wenn ich "absinken" würde?
10 Antworten
Hallo egglesforth,
es ist im freien Weltraum (zumindest in unserer Umgebung) besonders leicht, sich zu orientieren, denn man kann ferne Sterne und die galaktische Ebene noch besser erkennen als von der Erde aus (Stichworte: "schlechtes" Wetter, Lichtverschmutzung).
Ich kann die Position eines Objektes im Raum anhand von X,Y,Z-Koordinaten bestimmen.
Besser wäre die Formulierung "Ich kann die Position eines Objektes im Raum in einem Koordinatensystem gegebenen Koordinatensystem durch die Koordinaten x, y und z beschreiben", und zwar als Punkt P(x | y | z) respektive Ortsvektor *)
(1) r› = (x; y; z) = r∙(sin(θ)cos(φ); sin(θ)sin(φ); cos(θ)),
wobei θ der Polar- und φ der Azimutwinkel heißt.
Abb. 1: Kugelkoordinaten und die korrespondierenden Cartesischen Koordinaten eines Punktes P (aus Wikipedia).
z- Richtung auch im WeltraumWarum kann ich dies im Weltraum nicht tun? Das würde ja bedeuten, dass wir es mit einem zweidimensionalem Raum zu tun haben, der nur X und Y, aber keine Z-Achse kennt.
Ich fürchte, hier liegt ein Missverständnis vor: "Es gibt kein Oben und Unten" heißt nicht, dass es nur die x-y- Ebene gäbe und die z- Richtung einfach fehlte, sondern dass es kein verbindliches "Oben" oder "Unten" gibt.
Vielmehr kannst Du die z-Achse wählen, wie Du lustig bist. Du kannst sie in die momentane**) Richtung der Erdachse mit der Richtung zum Stern Polaris wählen, senkrecht zur Ekliptik oder senkrecht zur galaktischen Ebene, um nur einige besondere Richtungen zu nennen.
z- Richtung nach oben vs. zu PolarisMal ganz davon ab: Wenn Du auf der Erdoberfläche stehst und die z- Achse "nach oben" definiert, stimmt dieses lokale Cartesische Koordinatensystem nicht mit dem globalen erdgebundenen Koordinatensystem überein, es sei denn, Du stehst auf dem Eis oder einem Schiff direkt am Nordpol.
Global gesehen steht nicht die Cartesische Koordinate z für die Vertikale, sondern die Polarkoordinate r. Der Polarwinkel heißt auch "Ko-Breite", denn die Geographische Breite ist 90° (respektive ½π) minus Polarwinkel. Der Azimut lässt sich mit der Geographischen Länge identifizieren.
Orientierung in der RaumzeitEs gibt aber nicht nur verschiedene Möglichkeiten, die z- Achse (und natürlich auch alle anderen) auszurichten, sondern auch die t- Achse:
Relativ zueinander bewegte Körper - z.B. Uhren U und U' - haben unterschiedlich ausgerichtete Zeitrichtungen, d.h. zwei Ereignisse, die relativ zu U nacheinander auf derselben Position stattfinden, haben relativ zu U' unterschiedliche Positionen, weil sich U relativ zu U' in der Zwischenzeit weiterbewegt hat. Und beide Interpretationen sind physikalisch gleichberechtigt, das besagt GALILEIs Relativitätsprinzip (RP).
Mehr noch: Auch MAXWELLs Elektrodynamik und damit die Lichtgeschwindigkeit c unterliegt dem RP. Daher sind zwei räumlich getrennte Ereignisse, die von U aus auf dieselbe Zeit "datiert" werden, von U' aus auf unterschiedliche Zeiten zu "datieren".
Abb. 2: A, B und C sind drei relativ zueinander stationäre Raumfahrzeuge im jeweiligen Abstand d und B' ein viertes, und alle stehen in Funkkontakt. Interessant sind diejenigen, die von A und C aus B und B' in dem Moment erreichen. Mit A, B und C als stationären Körpern sind diese Ereignisse gleichzeitig, mit B' als stationärer Uhr muss das Signal von C älter sein als das von A.
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*) Genau genommen ist der Ortsvektor der Repräsentant eines Vektors, denn ein Vektor ist durch Länge und Richtung bereits definiert; Pfeile gleicher Länge und Richtung, aber mit verschiedenen Anfangspunkten sind verschiedene Repräsentanten desselben Vektors.
**) Die Erdachse nutiert und präzediert aufgrund verschiedener Einflüsse, z.B. durch andere Planeten. Dieser Effekt wäre ohne unseren relativ großen Mond viel stärker.
Ok, und jetzt bitte mal für ganz Dumme ohne Fachwörter und Diagramme.
Eigentlich machen Fachwörter (die man ggf. erklären muss) und Zeichnungen es leichter, eine Sache zu erklären.
Spätestens bei Sinus/Cosinus...
Tschuldigung, das habe ich als bekannt vorausgesetzt.
In einem rechtwinkligen Dreieck heißt die Seite, die dem rechten Winkel (der gern γ genannt wird) gegenüber liegt, Hypotenuse. Sie wird gern mit c bezeichnet. Die anderen Seiten heißen Katheten und sind kürzer.
Die anderen Winkel α und β sind spitz, d.h. unter 90° (ihre Summe kann ja nur noch . Wenn wir einen davon, z.B. α, auswählen, ist dessen Sinus a/c, also die Länge der α gegenüber liegende Kathete geteilt durch die Länge der Hypotenuse. Der Cosinus von α ist b/c, also das Verhältnis der Seiten, die den Winkel α einschließen.
Leider kann ich in Kommentaren kein Bild einstellen. Dann würdest Du nämlich sofort sehen, was Sinus und Cosinus ist.
...und „Azimutwinkel“ war ich raus. 🥴
Der Azimutwinkel ist einfach der Winkel φ im Bild, quasi so etwas wie die geografische Länge.
Die Planeten liegen ja alle auf einer Ebene.
Die hat sogar einen besonderen Namen: Ekliptik. Das kommt von "Eklipse", was so viel wie "Verdunklung" heißt, denn in dieser Ebene spielen sich Sonnen- und Mondfinsternisse ab.
Was passiert aber, wenn ich einfach nach oben oder unten steuere?
Du verlässt die Ekliptik. Wenn Du den Antrieb ausschaltest, umrundest Du die Sonne in einer Ebene, die zur Ekliptik geneigt ist. Mal bist Du "über" und mal "unter" der Ekliptik, was immer "oben" oder "unten" heißen mag.
Natürlich hast du im Weltall 3 Dimensionen. Die Frage ist aber, wie du dein Koordinatensystem ausrichtest, also wohin x-, y- und z-Achse zeigen. Und da gibt es keine "natürliche" Anordnung. Du kannst dein Koordinatensystem drehen wie du Lust hast, und wenn du die z-Achse als oben / unten definierst, kommst es eben darauf an, wohin die während deiner Reise zeigt.
Das verstehe ich ja, aber die Frage ist ja auch, wie man das nun praktisch handhabt. Wenn alles relativ ist, ist es leider schwer genau zu beschreiben was ich meine. Vielleicht nochmal konkreter: Wenn ich mich mit einem Raumschiff auf Höhe des Erdäquators ein wenig von der Erde entfernt befinde und zur Sonne blicke: Aus dieser Perspektive kann ich ja sagen, was, jedenfalls für mich, oben und unten ist. Der Nordpol der Sonne ist genauso "oben", wie der Nordpol der Erde und der Südpol der Sonne so "unten" wie der Südpol der Erde - die geneigte Erdachse mal aussen vor gelassen. Also: Blicke ich nun zum Südpol der Sonne, ist das "unten", blicke ich zum Nordpol, ist das "oben". Nun neige ich das Raumschiff aus dieser Sicht gesehen komplett nach unten, also um 90° nach unten? Was würde ich sehen? Was würde sehen, wenn ich es nach oben bewege? Befände sich alles auf der selben Höhe, würde ich dann ja nichts als Schwärze sehen, da alle Sterne, alle Galaxien sich zwar rund herum, allerdings nicht über oder unter mir befänden. Aber ist das wirklich so?
Die Gravitation zieht dich in eine bestimmte Richtung. Auf der Erde ist das in Richtung Erdmittelpunkt. Diese Richtung nennen wir "unten". Solange du dich im Gravitationsfeld der Erde befindest, weißt du, wo "unten" ist - und damit auch wo oben ist, nämlich in der entgegengesetzten Richtung. Das gleiche kannst du auch für jedes andere Gravitationsfeld machen. Wenn du eine Raumsonde zu einem der äußeren Planeten schickst, muss sie sich im Gravitationsfeld der Sonne nach "oben" bewegen.
Aber dein Beispiel ist schon nicht richtig. Wenn du am Äquator stehst, ist der Nordpol nicht oben, denn oben ist "der Himmel". Landkarten werden so gezeichnet, dass Norden oben ist, das ist aber reine Konvention, könnte man auch genauso gut andersrum machen. Wenn du am Äquator stehst und nach Osten blickst, geht es nach links zum Nordpol. Kannst dich aber auch rumdrehen, dann ist der Nordpol rechts. Wenn du 100 Kilometer hoch bist, hat sich daran auch nicht viel geändert.
Stimmt, da habe ich mich missverständlich ausgedrückt. Danke auch für die Antwort. Die eigentliche Antwort auf meine Frage hat mir allerdings User Roderic indirekt gegeben. Das Problem bei solchen Fragen ist ja, dass man sich an bestimmten Worten festklammert und dann Antworten kommen wie "Was oben oder unten ist, ist relativ, entsprechend gibt es kein oben oder unten ohne Bezugspunkt". Ist ja richtig, hilft aber nicht weiter. Insofern hätte es mich gefreut, wenn man mir unabhängig davon, dass ich falsche Begriffe verwende, hätte erklären können, wie sonst die Orientierung vonstatten gehen soll. Und nachdem User Roderic nun die Worte "Rektaszension" und "Deklination" in den Raum warf, habe ich mich auf Wikipedia mal schlau gemacht und siehe da: Die Antwort auf die Fragen ist eigentlich ziemlich eindeutig. Ich habe das jetzt so verstanden: Man bedient sich des äquatoriales Koordinatensystems. Dieses Koordinatensystem ist geozentrisch. Die Erde ist entsprechend das Zentrum einer gedachten Himmelssphäre und der Himmelsäquator entspricht dem Erdäquator. Die Ekliptik ist die Bahn der Sonne, die Ekliptikebene jene Ebene auf der sich Sonne und alle Planeten des Sonnensystems befinden. Ekliptik und Himmeläquator schneiden sich an einen Punkt den man Frühlingspunkt nennt. Die Deklination ist der Erheb ungswinkel über dem Himmelsäquator, Rektaszension der, um Wikipedia zu zitieren, „Winkel zwischen dem Frühlingspunkt und dem Schnittpunkt des Stundenkreises, der durch den zu messenden Himmelskörper geht.“
Die Position von Andromeda wird angeben als: Deklination +41° 16’ 09“, Rektaszension 0h 42m 44,3s. Somit hat sich die Frage nach der Position von Andromeda im Weltall geklärt und damit auch die anderen Fragen, denn aus o.g. Perspektive befindet sich, um die falschen Begriffe der Einfachheit halber noch einmal zu wiederholen, „oben“ und „unten“, natürlich etwas und somit ist zum Erreichen anderer Sonnensysteme und Galaxien aus o.g. Perspektive auch ein „Sinken“ oder „Steigen“ des Raumschiffs (i.S. einer Neigung um so und soviel Grad i.B. zum Himmelsäquator) notwendig. Ich frage mich nur, warum man das dann nicht auch antworten kann und mich stattdessen nur darauf aufmerksam macht, dass ich falsche Begriffe verwende und so alles keinen Sinn ergibt.
Das Thema ist verführerisch - aber auch gefährlich.
Will man sich ernsthaft damit beschäftigen, müsste man fit in Relativitätstheorie sein. Denn die Positionsbestimmung muss um Einflüsse von Gravitation und Geschwindigkeit korrigiert werden. Da wäre es gut, den o.g. Taschenrechner dabei zu haben ...
Relativitätstheorie ist immer gut, aber die Koordinaten selbst zwingen nicht zum Verlassen der NEWTONschen Näherung.
Das Thema nannte ich verführerisch, weil ich Vermesser bin - allerdings auf der Erde. Da genügen X,Y und Z.
Wenn man sich ins Weltall begibt, wird man zur Orientierung und Positionierung Zeitdilatation und Gravitation berücksichtigen müssen, s. GPS. Koordinaten sind ja Längen und Längen sind nach Einstein eben nicht konstant.
Damit enden dann meine Kenntnisse. Korrigiere: Vermutungen 😉
Du hast natürlich Recht. Beim GPS würde man schon nennenswerte Fehler, wenn man die lokale Krümmung der Raumzeit ganz unberücksichtigt ließe.
Koordinaten sind ja Längen...
Koordinatendifferenzen haben etwas mit Längen zu tun.
Der Unterschied zwischen Koordinate und Koordinatendifferenz ist derselbe wie der zwischen Zeit"punkt" t und Zeitspanne Δt, von einer Bezugs-Uhr U aus ermittelt. Genauer: t ist eine Koordinate und Δt eine Koordinatendifferenz. Wenn sie klein ist, schreibt man dt.
Allerdings gilt das nur bedingt für Polarkoordinaten: dθ etwa ist eine sehr kleine Winkeldifferenz, die erst mit r multipliziert zu einer Länge wird.
Allerdings verzerrt ein Gravitationsfeld die Raumzeit bekanntlich. Der Zeittakt einer statisch auf der r- Kugelschale platzierten Uhr ist gegenüber einer weit entfernten um den SCHWARZSCHILD- Faktor
(1) dt/dτ = 1/√{1 − rₛ⁄r}
verlängert, wobei
(2) rₛ = 2∙G∙M⁄c² ≈(Erde)≈ 8⁄9 cm
der SCHWARZSCHILD- Radius ist.
Außerdem ist der Abstand zwischen zwei konzentrischen Kugelschalen, die zu den Koordinaten r und r + dr gehören, nicht dr, sondern etwas länger, nämlich dr⁄√{1 − rₛ⁄r}.
Eben, das ist in der Vermessung doch (noch) einfacher, obwohl ich gehört habe, die Physiker klopfen bei den Geodäten an die Türen, sie sollten das Geoid endlich genau genug bestimmen, damit präzise Uhrenvergleiche möglich sind ...
Ich fand diesen Beitrag ganz witzig ( ... so ganz ohne Formeln ...)
Im irdischen Alltag meinen wir mit "unten" erdwärts (die Richtung zum Fußboden, auf dem unsere Füße stehen) und mit "oben" erdabwärts. Astronauten, die gerade über den Mond spazieren, werden mit "unten" natürlich "mondwärts" meinen und mit "oben" dann "mondabwärts". Andernorts hieße das dann eben "marswärts", "venuswärts" oder "saturnwärts". Aber was willst Du Dir im freien, bodenlosen Weltraum unter "oben", "unten", "Osten" oder "Westen" vorstellen? Wonach willst Du das ausrichten? Das ist doch vollkommen willkürlich!
Wenn ich an der Erdoberfläche x-y-z-Koordinaten definiere, dann habe ich einen ganz klaren Bezugspunkt als Koordinatenursprung, z.B. auf der Erdoberfläche den Nordpol, den Südpol oder ein anderer frei gewählter Punkt auf der Erdoberfläche, z.B. eine Felsspitze. Dabei interessiert mich nicht, dass diese Felsspitze mit Überschallgeschwindigkeit um die Erdachse kreist, mit der Erde zugleich um die Sonne und mit dem Sonnensystem um das Zentrum der Milchstraße. Ich definiere diese Felsspitze schlicht als gedachten "ruhenden Punkt". Ähnlich könnte ich auf anderen Himmelskörpern verfahren. Aber wie soll ich im freien, bodenlosen Weltraum den Bezugspunkt meines Koordinatensystems definieren? Das hat auch überhaupt nichts mit der Anzahl der Dimensionen zu tun! Willst Du in den völlig freien Raum eine Messlatte einrammen? Das kannst Du einrichten wie Du willst. Auch die Messlatte hätte zu jeder Sekunde gegenüber jedem Himmelskörper eine andere Entfernung und auch eine andere Geschwindigkeit! Die wäre auch nur ein lästiges Stück herum fliegendes Weltraum-Müll.
In deinem Sinne wäre die Mitnahme eines Kompasses und eines Höhenmeters rätlich.
Steck dir vorsichtshalber noch einen Taschenrechner ein.
Kompass und Höhenmeter würden im Weltall nicht helfen . Ein Kompass braucht Magnetfelder , und ein Höhenmesser arbeitet mit atmosphärischen Druckunterschieden . 🤔
Ihr seid beide lustig, das war ein Spaß, natürlich können beide Geräte nicht helfen. Hier eine ernsthafte Antwort:
Wie orientiert man sich im Weltraum? | Projekt Zukunft - Das Wissenschaftsmagazin | DW | 24.02.2017
Kompass, Höhenmeter? Im freien Weltraum? Ersteres funzt nicht, weil der Druck sowieso nahe 0 ist, ob Du 36000 oder 36 Millionen km von der Erdoberfläche entfernt bist. Letzteres funzt nicht, weil das eine dominierende Magnetfeld fehlt, das die Erde liefert.
Dann lies weiter oben durch, da schrieb ich von einem Spaß. Immerhin gab es Leute, die das für bare Münze nahmen.
Du hast die Möglichkeiten übrigens verdreht.
Stimmt. Ich könnte jetzt versuchen, mich auf "Chiasmus" hinauszureden,... 😉
Ok, und jetzt bitte mal für ganz Dumme ohne Fachwörter und Diagramme. Spätestens bei Sinus/Cosinus und „Azimutwinkel“ war ich raus. 🥴
Also, ich stelle mir das so vor: Nehmen wir mal ganz einfach an, ich sitze in einem Raumschiff. Die Erde liegt hinter mir, der Mond vor mir. Mars, Merkur, Saturn, usw. liegen jeweils nach aktuellen Positionen auf deren Umlaufbahn vor, hinter, links und rechts von mir. Die Planeten liegen ja alle auf einer Ebene. Was passiert aber, wenn ich einfach nach oben oder unten steuere?
Einfache Frage, einfache Antwort bitte. 😁