Woher wissen Wissenschaftler, wie weit ein Stern weg ist?

6 Antworten

Hallo Kingofflights,

wie Du ganz richtig vermutest, ist das alles nicht so einfach. Die Sterne sehen zwar auch im Teleskop nicht alle gleich groß aus, aber wir sehen sie mit ihrer __scheinbaren Helligkeit__. Und die hängt eben davon ab, wie weit ein Stern von uns weg ist. Ein leuchtschwacher naher Stern kann von uns aus betrachtet genauso hell sein wie ein sehr leuchtstarker sehr weit entfernter Stern.

Über die Helligkeit allein geht es also nicht. Man muss immer noch etwas anderes messen.

Der Trick sind verschiedene Methoden für verschiedene Entfernungen. Jede dieser Methoden funktioniert in einem bestimmten Entfernungsbereich am besten. Die Bereiche überlappen sich, so dass sich die Verfahren gegenseitig überprüfen. Und weil die Ergebnisse in diesen Überlappungsbereichen, wo man die Entfernungen mit verschiedenen Verfahren bestimmt, halt sehr gut zueinander passen, wissen wir auch, dass die Verfahren sehr gute Ergebnisse liefern. Das Ganze ist sehr stimmig.

Mit einer Messung von Lichtlaufzeiten brauchst Du übrigens bei den Entfernungen zu den Sternen nicht anfangen. Das geht im Sonnensystem... etwa beim Mond.

Weiter - und damit zu den Sternen aus der Milchstraße - kommt man mit der sogenannten Parallaxe.

Das Verfahren wurde hier jetzt schon mal schön erklärt und ist für die Entfernungsbestimmung zu den nächsten Sternen auch eines der wichtigsten Verfahren.

Die Parallaxe ist ein Winkel. Das Verfahren funktioniert so, wie das 3 dimensionale Sehen mit unseren beiden Augen: Halte den Daumen vor die Nase und mach' ein Auge zu. Merke Dir den Punkt an der Wand, den Dein Daumen verdeckt. Dann wechsel das Auge, bleib aber sonst ganz ruhig sitzen: Du wirst merken, dass der Daumen jetzt einen anderen Punkt an der Wand verdeckt. Das liegt daran, dass das Auge aus einer bestimmten Richtung auf den Daumen blickt - und diese Richtung wechselt halt, wenn wir mit dem anderen Auge schauen. Wiederholst Du das Ganze mit dem ausgestreckten Arm, dann springt der Daumen auch scheinbar vor der Wand, aber weniger weit, als wenn er nahe vor der Nase war.

Und genau so machen wir es mit Sternen: Wir beobachten einen Stern heute und ein halbes Jahr später, wenn die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne genau gegenüber steht - immerhin rund 300 Millionen Kilometer sind unsere beiden "Augen" damit auseinander. Und aus den beiden gemessenen Winkeln, unter denen wir einen Stern dabei anpeilen müssen, können wir seine Entfernung berechnen. Das funktioniert schon einige Lichtjahre weit. Willst Du es genauer, könntest Du Dir diese Seite hier durchlesen: 

http://www.leifiphysik.de/astronomie/fixsterne#J%C3%A4hrliche%20Parallaxe

Bei Entfernungen, die noch größer sind, hilft es uns, dass wir in den letzten hundert Jahren die Physik, die in Sternen abläuft, sehr gut verstanden haben. Wir kennen ein paar Formeln, aus denen wir die Leuchtkraft und damit die absolute Helligkeit eines Sternes ausrechnen können, wenn wir zum Beispiel seine Masse und seine Temperatur kennen.

Die absolute Helligkeit ist nicht das, wie der Stern von uns aus aussieht - das ist die scheinbare Helligkeit (die eben leider von der Entfernung abhängt). Die absolute Helligkeit sagt, wie hell ein Stern aus einer bestimmten Standardentfernung erscheint - und ist daher wirklich ein Maß für seine Helligkeit. (https://www.leifiphysik.de/astronomie/fixsterne/absolute-sternhelligkeit ) Bei allen Entfernungsbestimmungen bei Entfernungen, die zu groß sind, um die Parallaxe messen zu können, muss man immer irgend einen Trick finden, die absolute Helligkeit des Objektes rauszukriegen.

Und da gibt es eben verschiedene Tricks:

Wenn wir aber über die Masse eines Sternes und dem hier bei uns ankommenden Spektrum und seiner scheinbaren Helligkeit seine absolute Helligkeit bestimmt haben, können wir aus dem Vergleich der so bestimmten absoluten Helligkeit und der hier noch ankommenden Helligkeit können wir seine Entfernung bestimmen. Das Schlagwort hierfür wäre die "Masse-Leuchtkraft-Beziehung" (https://www.leifiphysik.de/astronomie/fixsterne/masse-leuchtkraft-beziehung ); die Masse können wir zum Beispiel bei Doppelsternen aus den Dopplereffekten der beiden sich umkreisenden Sterne bestimmen. 

Auch bestimmte Typen veränderlicher Sterne helfen uns bei der Entfernungsbestimmung. Ein Beispiel wären die sogenannten Cepheiden. Die physikalischen Vorgänge, die bei diesem bestimmten Typ von veränderlichem Stern ablaufen, erzeugen eine ganz charakteristische Helligkeitsschwankung, so dass man sie gut identifizieren kann. Außerdem besteht eine feste Beziehung zwischen der Periode der Helligkeitsschwankung und ihrer absoluten Helligkeit. Messen wir also ihre Periode und ihre maximale bei uns ankommende Helligkeit, dann können wir die Entfernung zum Cepheiden über diese Formel ausrechnen. Mit dieser Methode kommen wir schon in uns nahe gelegene Galaxien. Cepheiden bezeichnen wir als "Standardkerzen", weil wir ihr Licht hernehmen können, um auf Entfernungen zu schließen.

Eine andere Standardkerze ist eine bestimmte Klasse von Supernova-Explosionen, die sogenannten Typ 1a Supernovae. Auch diese Explosionen erreichen aufgrund der ablaufenden Vorgänge immer annähernd dieselbe absolute Helligkeit. Am Verlauf der Helligkeit über die Zeit der Supernova können wir diese Klasse auch gut erkennen. Eine Supernova ist ein sehr helles Ereignis. Ein Stern kann dann kurzzeitig fast so hell strahlen wie seine Galaxie. Entsprechend können wir Supernovae 1a in etlichen Galaxien entdecken und damit die Entfernung zu dieser Galaxie bestimmen.

Für sehr, sehr weite Objekte bleibt uns die kosmologische Rotverschiebung. Hubble hat 1929 eine Besonderheit im Licht der damals beobachtbaren Galaxien entdeckt: Das Licht dieser Galaxien zeigt dieselben Spektrallinien von Wasserstoff, wie wir sie hier im Labor messen, aber zu längeren Wellenlängen ("Richtung rotes Ende des sichtbaren Lichtes") hin verschoben. Und zwar umso weiter verschoben, je weiter die Galaxie (aus einer der beiden eben erklärten Methoden bestimmt) weg war. Dieser Effekt kommt dadurch zustande, dass sich der Raum zwischen uns und der anderen Galaxie ausdehnt - und zwar mit einer ganz bestimmten Ausdehnungsrate pro Entfernung. Diese Rate nennen wir heute den "Hubbleparameter" und wir konnten ihn mittlerweile über recht verschiedene Methoden ganz gut bestimmen. Wenn wir jetzt also eine Galaxie zum Beispiel im Hubble Deep Field beobachten, dann nehmen wir ihr Spektrum auf und schauen, wie sehr die Spektrallinien darin rotverschoben sind. Über den Hubbleparameter können wir daraus dann die Entfernung zu dieser Galaxie abschätzen.

Die letzten Verfahren reichen wie gesagt bis in andere Galaxien.

Und wenn das jetzt arg viel Text gewesen sein sollte: Der Physiker Florian Freistetter hat das alles mal in 3 Folgen seines Podcasts erklärt. Das kannst Du Dir hier der Reihe nach anhören, Dich dabei gemütlich zurücklehnen und eine Schoki essen...

Grüße

Und hier der (eigentlich immer tolle) Podcast: Bei Florian klingt Astronomie immer wie ein Abenteuer. =D

Sternengeschichten Folge 19: Wie weit ist es bis zu den Sternen?

https://www.youtube.com/watch?v=WNO_OaZE-Ys&feature=youtu.be

Sternengeschichten Folge 20: Standardkerzen und die Entfernung zur Andromeda

https://www.youtube.com/watch?v=ahzAAobv064

Sternengeschichten Folge 21: Die fast unmögliche Entfernungsbestimmung

https://www.youtube.com/watch?v=hodL7fK0zcw

Viel Spaß beim Hören!

26

Da hast du aber einen einfachen Frager mit deinem Wissen erschlagen !

Weder wird er das alles durchlesen noch viel weniger verstehen.

0
47
@Horus737

Nun, dann kannst Du Dich ja an einer sowohl kürzeren als auch verständlicheren, aber bitte auch korrekten und umfassenden Antwort der Frage versuchen. Niemand hindert Dich.

Und den Fragesteller kann es nur freuen, wenn möglichst viele User antworten.

Was er versteht oder lesen mag, das merkt der Fragesteller dann bestimmt selber.

Ich persönlich traue jemandem, der in der Lage ist, eine Frage zu stellen, die im Niveau deutlich über dem leider viel zu oft zu beantwortenden "Ey, die Mondlandung war doch ein Fake!!!" liegt, auch zu, eine Antwort immerhin lesen zu können und zu wollen.

Grüße

1
35
@Horus737

Wenn schon: andere als der Fragesteller selber, die hier reingucken, werden sich über die ausführliche und kompetente Darstellung der Methoden freuen !

0

Hallo,

eine sehr interessante Frage! Tatsächlich hat die Entfernungsbestimmung viele Astronomen über Jahrhunderte beschäftigt, denn wie Du schon richtig schreibst, kann man die Entfernung auch mit den erst im 17. Jhdt. erfundenen ersten Teleskopen oder auch den modernsten heutigen Geräten nicht ohne Weiteres bestimmen. Es gibt aber mehrere Methoden, um die Entfernung zu berechnen.

Dazu müssen aber einige Voraussetzungen erfüllt sein. Es gibt mehrere Methoden, von denen ich zwei erklären möchte:

  1. Die Parallaxen-Verschiebung

Beobachtet man einen Punkt (oder Stern) von einem bestimmten Standpunkt aus, so steht dieser Punkt vor einem theoretisch unendlich weiten Hintergrund an einer ganz bestimmten Stelle. Verändere ich nun meinen Standpunkt (und damit Blickwinkel), so erscheint der beobachtete Punkt an einer anderen Stelle vor dem Hintergrund. Die scheinbare Verschiebung des Punktes vor dem Hintergrund kann man in Winkeleinheiten messen und damit (über die trigonometrische Berechnung) die Entfernung errechnen, wenn man die Strecke zwischen dem ersten und zweiten Beobachtungspunkt kennt. Bei Sternen wird dazu der entsprechend zu vermessende Stern idealerweise von der Erde aus zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten beobachtet. Dabei versucht, diese Zeitpunkte so zu legen, dass die Beobachtung dann stattfindet, wenn die Erde aufgrund Ihrer Bahn um die Sonne ca 300.000.000 km vom ersten Beobachtungpunkt entfernt steht (Erdbahnradius (idealisiert, da die Erdbahn tatsächlich elliptisch ist) 146,9 Mio km). Durch die Veränderung des Winkels bei der Beobachtung des Sterns und der daraus resultieren, scheinbaren Verschiebung des Stern vor dem Hintergrund lässt sich dessen Entfernung berechnen.

Bei einem Veränderungswinkel von einer Bogensekunde in der Parallaxe spricht man von einem Parsec (pc) Entfernung, was etwa 3,09 *10hoch13 km entspricht (= 3,26 Lichtjahre).

2. Die Cepheiden Methode

Eine weitere Methode zur Entfernungsbestimmung von Sternen verläuft über die Messung der Helligkeit dieses Sterns. Um aus der Helligkeit eines Sterns auf dessen Entfernung schließen zu könne, muss allerdings zunächst klar sein, wie hell der Stern wäre, wenn er nah bei uns wäre - wie also seine wahre Helligkeit ist im Vergleich zur scheinbaren Helligkeit, die wir wahrnehmen können.

Die Helligkeit eines Stern nimmt nämlich mit seiner Entfernung vom Beobachtungspunkt ab - und zwar in direkter Abhängigkeit. Wenn man also weiß, wie hell ein Stern in Wahrheit leuchtet, so kann man anhand der gemessenen Leuchtkraft auf seine Entfernung schließen. Tatsächlich weiß man von bestimmten Sternen, wie hoch ihre Leuchtkraft in Wahrheit ist, dann diese Sterne pulsieren und erreichen dabei die maximale Leuchtkraft zu bestimmten Zeiten. Man nennt diese Sterne (nach dem bekanntesten Vertreter Delta Cephei) Cepheiden.

Entdeckt wurde diese Besonderheit übrigens von einer Wissenschaftlerin, Henrietta Leavitt zu Beginn des 20. Jhdts. - damals waren Frauen in der Wissenschaft eher selten - umso bemerkenswerter, dass ein so entscheidender Faktor von einer Frau entdeckt wurde - und sie sich mit ihrer Entdeckung auch öffentlich bemerkbar machen konnte.

Zu beiden Methoden gibt es hervorragende Beschreibungen und Illustrationen im Netz.

34

Sehr schön, aber du hättest die dritte Methode, zur Bestimmung großer Entfernungsn auch noch nennen können:

3) Thermonukleare Supernovae (Ia-SN) - die Explosion von Weißen Zwergen, wenn diese Masse akkreditieren und dabei zu schwer werden, dann setzt die Kohlenstoff-/Sauerstoff-Fusion schlagartig ein und nicht gemächlich, wie in "lebenden" Sonnen. Die kritische Masse und das Kohlenstoffverhältnis zu anderen Elementen im Kern kann anhand des Spektrums bestimmt werden, womit man die absolute Helligkeit errechnen kann.

Cepheiden lassen sich noch in Andromeda beobachten, aber nicht in deutlich weiter entfernten Galaxien. Ia-Supernovae können aber noch in Entfernungen von Milliarden Lichtjahren beobachtet werden.

1
5
@nax11

Vielen Dank für Deinen sicher für jeden verständlichen Hinweis zu einer weiteren Methode. Es gibt tatsächlich noch deutlich mehr Methoden, die alle auf Standardkerzen beruhen - die Ia Supernovae sind dabei nur eine weitere.

Aber es ist schön,dass es neben Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Standardkerze immer auch noch den ein oder anderen Schlauschnacker gibt.

0

Es gibt verschiedene Methoden,

nahe Sterne kann man durch Dreieckspeilung (Position und Winkel) bestimmen. man peilt einen Stern im Frühjahr an und im Herbst durch die bekannte Position der Erdbahn und der Messergebnisse ergibt sich ein berechenbares Dreieck.

Bei weiteren Sternen kann man durch den Dopplereffekt und der zu erwartenden Spektralfarben via Fluchtgeschwindigkeit auf die Entfernung schließen.

Heller Stern Westen am Morgen

Ich sehe im Moment sehr häufig morgens um etwa 7Uhr einen hellen Stern/Planet am Himmel. Er liegt im Westen und hebt sich deutlich von der Helligkeit der anderen Sterne ab. Was ist das für ein Stern/Planet? Habe auf die Venus getippt, aber die lässt sich ja eigentlich nur Abends sehen.

...zur Frage

Würden wir in einem Doppelsternsystem leben, hätten wir den anderen Stern schon erreicht?

Angenommen wir würden in einem Mehrfachsternsystem wie Alpha Centauri leben und auf einem Planeten leben, der einen dieser Sterne umkreist, hätten wir dann schon Raumsonden zu den anderen Sternen geschickt? Wir sind ja ziemlich einsam, der nächste Stern liegt erst in 4,2 Lichtjahren Entfernung. Aber hätten wir schon interstellare Raumfahrt, wenn der nächste Stern viel näher wäre, in einem Mehrfachsternsystem oder in einem Kugelsternhaufen?

...zur Frage

Sterne am Nachthimmel ganz nah?

Hallo. Sterne die wir am Nachthimmel sehen, die sehen wir ja nur weil das Universum so leer ist. Wenn jetzt Alex Gerst auf der ISS eine Taschenlampe anmacht, sehen das dann auch unsere Freunde in 10.000 Lichtjahren entfernung? Diese Sterne sind alle zig tausend Lichtjahre weg, aber da gibt es nichts was deren Licht schlucken könnte? Das kann doch garnicht sein. Irgenwas in den Billionen Kilometern muss doch das Licht schlucken?

...zur Frage

Der größte Stern bis jetzt bekannt VY Canis Majoris

Hallo,

dieser Stern ist so unvorstellbar groß.

Kann man ihn am Nachthimmel sehen? Aber natürlich gaaaaanz weit entfernt sonst wäre es eine katastrophe

Welche riesen sterne ausser rigel und betelguese kann man noch im nachthimmel beobachten?

...zur Frage

Was möchtest Du wissen?