200 Jahre Fraunhoferlinien … und alles in einer Zeittafel

Ob Erforschung von Exoplaneten, Kartierung von stellaren Flecken und Magnetfeldern oder Messungen der Bewegung von Nebelregionen in M 31 (Dunkle Materie) und Distanzen entferntester Typ-Ia-Supernovae (Dunkle Energie) – all das beruht auf dem Studium der Fraunhoferlinien, an die ebenfalls eine neue Sonderbriefmarke erinnert. [1]

Vor genau 200 Jahren machte der bedeutende Optiker Joseph Fraunhofer seine berühmteste Entdeckung: Bei im Jahr 1814 durchgeführten optischen Experimenten zerlegte er mit einem Prisma das Sonnenlicht in seine Regenbogenfarben und fand darin nicht weniger als „ungefähr 574 Linien“. Er entdeckte wie hunderte schmaler, dunkler Linien – Spektrallinien bzw. einfach Fraunhoferlinien genannt – das farbige Lichtband durchziehen und beobachtete sie sogar im Spektrum der hellsten Sterne. Weder er noch die Astronomen seiner Zeit hatten eine Ahnung davon, dass diese unzähligen dunklen Linien im Sonnenspektrum die Astronomie derart revolutionieren würden wie die Erfindung des Fernrohrs 200 Jahre zuvor; „Wer dachte wohl je beim Anblick eines Regenbogens, dass die Natur weitreichende Aufschlüsse in dies wechselnde Farbenspiel mit so deutlichen Zügen geschrieben habe!“ Dieser Satz aus der 1866 veröffentlichten 5. Auflage von „Die Wunder des Himmels“ besitzt noch heute die gleiche Gültigkeit wie vor rund 150 Jahren. Damals lernten die ersten Astrophysiker mit Glasprismen die Sterne chemisch zu analysieren, die heutigen Himmelsforscher dagegen untersuchen hochaufgelöste Spektren, die an riesigen 10m-Teleskopen mit modernsten Echelle-Spektrografen aufgenommen werden. Die folgende Abbildung gibt einen 200 Jahre umfassenden Überblick über die Spektralapparate von Fraunhofer (1814: Entdeckung der Spektrallinien), Kirchhoff und Bunsen (1860: Begründung der Spektralanalyse), Vesto Slipher (1914: Entdeckung der Rotverschiebung von Galaxien) und Maarten Schmidt (1963: Entdeckung der Quasare); das letzte Bild zeigt die optischen Bauteile des neuen HRS-Spektrografen des 11m-SALT-Teleskops. „Nach dem Teleskop ist das Spektroskop unwiderruflich das wichtigste Instrument in der Geschichte der Astronomie.“

Spektralapparate von gestern bis heute [2]

Die Spektroskopie ist heute das weitreichendste Werkzeug für die Erforschung des Himmels, denn schätzungsweise 80% aller astronomischer Arbeiten beruhen auf dem Studium der Spektrallinien. Mit den heutigen Mitteln erscheint es einfach immer unglaublicher, was uns die detailierte Analyse der Fraunhoferlinien erzählt: Von der Temperaturmessung und Altersbestimmung von Sternen und Sternhaufen über die Kartierung von Sternflecken und ihrer Magnetfelder bis zur Massenberechnung von Schwarzen Löchern (durch die Rotation der umgebenen Gasscheiben) oder dem Nachweis und der Analyse von Exoplaneten – diese und noch unzählige andere Informationen verraten allein die Spektrallinien im Regenbogenlicht von Sternen, Planeten, Sternschnuppen, Kometen, Nebeln, Galaxien und Quasaren usw. Wie kein anderes Instrument offenbart uns Fraunhofers im Licht versteckter Schlüssel die Physik des Nachthimmels auf unvorstellbare, verblüffende und fantastische Weise, da sich durch ihn die beobachtende Astronomie zu einer beschreibenden Wissenschaft wandelte. Mit der Analyse der Fraunhoferlinien wird Unsichtbares sichtbar gemacht. „Und wenn heute Abend der Himmel wolkenlos ist, dann sollten Sie einmal hinausgehen und und an einer dunklen Stelle den Blick nach oben wenden. Lassen Sie die Faszination der modernen Astrophysik und die Faszination des nächtlichen Firmaments zugleich auf sich wirken.“

Im Zuge meines interstellarum–Artikels „Der Schlüssel zur Astrophysik“ (erscheint am 24. Januar) hat sich gezeigt, dass sich die gesamten astrophysikalischen Errungenschaften bezüglich Fraunhofers wahrer Schlüsselentdeckung nicht einfach auf sechs Seiten darstellen lassen. Deshalb möchte ich an dieser Stelle die vermutlich vollständigste Liste zum Thema 200 Jahre Fraunhoferlinien zusammenstellen. Diese Übersicht/Zeittafel soll den Siegeszug der Fraunhoferlinien bzw. der Spektroskopie in der Astronomie deutlich machen und über die Geschichte, den Fortschritt bis zur heutigen Astrophysik und einige der interessantesten Entdeckungen informieren.

Jahr	Entdeckung
1802	William Hyde Wollaston entdeckt erstmals einzelne Spektrallinien im Sonnenlicht
1814	Unabhängig entdeckt Joseph Fraunhofer die später nach ihm benannten Spektrallinien und untersucht sie systematisch
1819	Fraunhofer findet die dunkle D-Linie auch im Licht von Kapella und Pollux
1822	Mit einem Diamanten stellt Fraunhofer sein bestes Beugungsgitter her: 3.601 Linien ritzt er in ein 12cm großes Glasstück (302 Linien pro Millimeter)
1826	Der Entdecker der Fraunhoferlinien stirbt mit nur 39 Jahren
1835	Nach Auguste Comte können wir nur die Bewegungen der Sterne studieren, denn »wir werden niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Beschaffenheit oder ihre mineralogische Struktur […] bestimmen können«
1840	Nach Friedrich Wilhelm Bessels Worten bildet einzig die Himmelsmechanik »das eigentliche astronomische Interesse«
1841	Christian Doppler beginnt mit der Ausarbeitung des nach ihm benannten Doppler-Effekts
1842	Edmond Becquerel, Vater des Nobelpreisträgers Henri Becquerel, fotografiert erstmals Spektrallinien
1845	Ein Kritiker Dopplers bestätigt mit Trompeten auf der Schiene die Richtigkeit des akustischen Doppler-Effekts
1848	Sind für Doppler die Farben der Sterne Ausdruck ihrer Geschwindigkeit, beschreibt als erster Hippolyte Fizeau die Verschiebung von Spektrallinien und gilt als »Grundleger der spektroskopischen Methode der Geschwindigkeitsbestimmung«
1859 bis 1862	Kirchhoff und Bunsen entschlüsseln die Fraunhoferlinien, erkennen die D-Linie als Natrium und begründen so die Spektralanalyse und damit die Astrophysik
1862	Michael Faraday sucht mit Elektromagnet, Spektroskop und Kerzenflamme den Einfluss von Magnetfeldern auf das Spektrum
1864	William Huggins beobachtet erstmals das Spektrum eines Planetarischen Nebels (NGC 6543)
1865	Für das neu entstehende Gebiet der Spektralanalyse prägt Karl Friedrich Zöllner in seiner Doktorarbeit den Begriff »Astrophysik«
1865	Als erster verwendet Wilhelm Klinkerfues Sternspektren zur Messung von Geschwindigkeiten
1866	Ein neuer Stern in der Nördlichen Krone ist die erste spektroskopierte Nova (T CrB)
1867	Erstmals wird nach der Doppler-Verschiebung von Spektrallinien gesucht
1868	Eine unbekannte Spektrallinie wird entdeckt und später Helium nach dem griechischen Sonnengott genannt
1869	Doppler-Verschiebungen im Sonnenspektrum verraten bis zu 240km/s schnelle Protuberanzen
1888	Algol ist der erste spektroskopisch entdeckte Doppelstern
1896 und 1897	Im Labor entdeckt Pieter Zeeman den nach ihm benannten Effekt der Verbreiterung und Aufspaltung von Spektrallinien durch Magnetfelder
1905	Mit Sternen, deren »Linien ungewöhnlich eng und scharf sind« entdeckt Ejnar Hertzsprung Sternriesen und -zwerge, was später zur Entstehung des Hertzsprung-Russell-Diagramms führt
1908	Erstmals erscheint der Begriff »Rotverschiebung« und mit dem Zeeman-Effekt wird erklärt, dass Sonnenflecken starke Magnetfelder sind
1914	Vesto Slipher präsentiert mehrere Geschwindigkeitsmessungen von Galaxien
1917	Willem de Sitter gilt als Entdecker des kosmologischen Rotverschiebung und fand – mit einem Modell eines statischen Universums -, dass sie eine Eigenschaft der Raumzeit ist
1925	Cecilia Payne zeigt in ihrer Doktorarbeit, dass die Sonne zu 98% aus Wasserstoff und Helium besteht, obwohl 1/3 der Spektrallinien Eisenlinien sind
1933	Radialgeschwindigkeitsmessungen im Coma-Galaxienhaufen führen zur Entdeckung der Dunklen Materie
1939	Eine Spektrallinie von 13-fach ionisiertem Eisen (Fe XIV) verrät die extrem heiße Sonnenkorona
1946	Horace Babcock beginnt die (magnetische) Suche nach dem Zeeman-Effekt in Sternspektren
1960	Basierend auf den Doppler-Effekt entsteht die Helioseismologie
1963	Maarten Schmidt stößt auf die hohe Rotverschiebung des sternähnlichen Objekts 3C 273 und entdeckt damit den ersten Quasar
1970	Weiterer Hinweis auf Dunkle Materie durch Spektroskopie von Gasnebeln in M 31
1971	Ein Doppler-Merkmal verrät ein Schwarzes Loch bei HDE 226868
1980	Die Suche nach Exoplaneten mit der Doppler-Methode beginnt
1982	Für eine Analysemethode, mit der sich Sternflecken und Elementhäufigkeiten auf Sternoberflächen kartieren lassen, entsteht der Begriff »Doppler Imaging«
1987	Ein Doppler-Signal von gamma Cep ist der erste Hinweis auf einen Exoplaneten, bestätigt wird er jedoch erst 2002
1988	Als Weiterentwicklung entsteht das »Doppler Zeeman Imaging«, das die Polarisation in den Fraunhoferlinien zur Kartierung von stellaren Magnetfeldern nutzt
1995	Ein Doppler-Signal von 51 Peg führt zum ersten Exoplaneten bei einem sonnenähnlichen Stern
1998	Insgesamt 52 Spektren tragen zur Entdeckung der Dunklen Energie bei
1999	Die Analyse von fünf Eisenlinien im Spektrum von XX Tri führt zur Entdeckung des größten Sonnenflecks
2000	Die Natriumlinie wird erstmals bei einem Exoplaneten nachgewiesen
2011	Die Entdecker der beschleunigten Expansion des Universums werden mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet, was aber die Dunkle Energie ist, ist weiterhin völlig unklar
2013	Ungefähr die Hälfte von 1.000 entdeckten Exoplaneten wurde mit dem Doppler-Effekt gefunden
2014	Entdeckung des bislang eisenärmsten Sterns (sein Spektrum zeigt keine einzige Eisenlinie), so dass er nun als ältester Stern überhaupt gilt
2014	PEPSI wird am LBT installiert und der neue HRS-Spektrograf wird am 11m-SALT-Teleskop in Betrieb genommen

[1] Oben links: ESA, NASA, G. Tinetti, M. Kornmesser; unten links: P. Petit; unten rechts: A. Weis; Mitte rechts: NASA, ESA, High-z Supernova Search Team; oben rechts: cyan, Berlin

[2] Bild 1: Fraunhofer-Gesellschaft; Bild 2: Klaus Hübner: Gustav Robert Kirchhoff; Bild 3: K. Habel; Bild 4: Smithonian National Air and Space Museum; Bild 5: L. Crause

01.01.2014

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