Astronomie: Wissenschaft der Himmelskörper, Methoden, Geschichte und Bedeutung

Antik

Die frühen Astronomen benutzten nur ihre Augen, um die Sterne zu betrachten. Aus religiösen Gründen fertigten sie Karten der Sternbilder und Sterne und Kalender an, um die Jahreszeit zu bestimmen. Frühe Zivilisationen wie das Volk der Maya und die alten Ägypter bauten einfache Observatorien und zeichneten Karten mit den Positionen der Sterne. Sie begannen auch, über den Platz der Erde im Universum nachzudenken. Lange Zeit glaubten die Menschen, dass die Erde der Mittelpunkt des Universums sei und dass die Planeten, Sterne und die Sonne um sie herumgingen. Dies ist als Geozentrismus bekannt.

Die alten Griechen versuchten, die Bewegungen der Sonne und der Sterne durch Messungen zu erklären. Ein Mathematiker namens Eratosthenes war der erste, der die Größe der Erde maß und bewies, dass die Erde eine Kugel ist. Eine Theorie eines anderen Mathematikers namens Aristarchus war, dass die Sonne im Zentrum steht und die Erde sich um sie herum bewegt. Dies ist als Heliozentrismus bekannt. Nur wenige Menschen hielten ihn für richtig. Der Rest glaubte weiterhin an das geozentrische Modell. Die meisten Namen von Sternbildern und Sternen stammen aus der griechischen Zeit.

Die arabischen Astronomen machten im Mittelalter viele Fortschritte, einschließlich verbesserter Sternkarten und Methoden zur Schätzung der Größe der Erde. Sie lernten auch von den Alten, indem sie griechische Bücher ins Arabische übersetzten.

Renaissance bis Moderne

Während der Renaissance dachte ein Priester namens Nikolaus Kopernikus, wenn er sich die Bewegung der Planeten ansah, dass die Erde nicht der Mittelpunkt von allem sei. Ausgehend von früheren Arbeiten sagte er, dass die Erde ein Planet sei und sich alle Planeten um die Sonne bewegten. Dies brachte die alte Idee des Heliozentrismus zurück. Ein Physiker namens Galileo Galilei baute seine eigenen Teleskope und benutzte sie, um die Sterne und Planeten zum ersten Mal genauer zu betrachten. Er stimmte mit Kopernikus überein. Die katholische Kirche entschied, dass Galileo falsch lag. Er musste den Rest seines Lebens unter Hausarrest verbringen. Heliozentrische Ideen wurden bald von Johannes Kepler und Isaac Newton verbessert, die die Gravitationstheorie erfanden.

Nach Galileo bauten die Menschen bessere Teleskope und nutzten sie, um weiter entfernte Objekte wie die Planeten Uranus und Neptun zu sehen. Sie sahen auch, dass die Sterne unserer Sonne ähnlich waren, aber in einer Reihe von Farben und Größen. Sie sahen auch Tausende von anderen weit entfernten Objekten wie Galaxien und Nebel.

Moderne Ära

Das 20. Jahrhundert nach 1920 brachte wichtige Veränderungen in der Astronomie.

In den frühen 1920er Jahren begann man zu akzeptieren, dass die Galaxie, in der wir leben, die Milchstraße, nicht die einzige Galaxie ist. Die Existenz anderer Galaxien wurde von Edwin Hubble geklärt, der den Andromedanebel als eine andere Galaxie identifizierte. Hubble war es auch, der bewies, dass sich das Universum ausdehnt. Es gab viele andere Galaxien in großen Entfernungen, und sie ziehen sich zurück und entfernen sich von unserer Galaxie. Das war völlig unerwartet.

Im Jahr 1931 entdeckte Karl Jansky bei dem Versuch, eine Rauschquelle im Funkverkehr zu isolieren, eine Funkemission von außerhalb der Erde. Dies war die Geburtsstunde der Radioastronomie und die ersten Versuche, einen anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums zur Beobachtung des Himmels zu nutzen. Die Teile des elektromagnetischen Spektrums, die die Atmosphäre nicht blockierte, wurden nun für die Astronomie geöffnet, so dass weitere Entdeckungen gemacht werden konnten.

Mit der Öffnung dieses neuen Fensters zum Universum wurden völlig neue Dinge entdeckt, zum Beispiel Pulsars, die regelmäßige Pulse von Radiowellen in den Weltraum senden. Die Wellen wurden zunächst für außerirdischen Ursprung gehalten, weil die Pulse so regelmäßig waren, dass sie eine künstliche Quelle implizierten.

In der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg gab es mehr Observatorien, in denen große und genaue Teleskope an guten Beobachtungsstandorten gebaut und betrieben werden, normalerweise von Regierungen. Zum Beispiel begann Bernard Lovell mit der Radioastronomie in Jodrell Bank unter Verwendung von übrig gebliebener militärischer Radarausrüstung. Bis 1957 verfügte der Standort über das größte lenkbare Radioteleskop der Welt. In ähnlicher Weise wurde Ende der 1960er Jahre mit dem Bau spezieller Observatorien am Mauna Kea auf Hawaii begonnen, einem guten Standort für sichtbare und Infrarot-Teleskope dank seiner großen Höhe und des klaren Himmels.

Die nächste große Revolution in der Astronomie war der Geburt der Raketentechnik zu verdanken. Diese ermöglichte es, Teleskope auf Satelliten im Weltraum zu platzieren.

Weltraumteleskope ermöglichten zum ersten Mal in der Geschichte den Zugang zum gesamten elektromagnetischen Spektrum einschließlich der Strahlen, die von der Atmosphäre blockiert worden waren. Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, ultraviolettes Licht und Teile des Infrarotspektrums wurden alle für die Astronomie geöffnet, als die Beobachtungsteleskope gestartet wurden. Wie bei anderen Teilen des Spektrums wurden neue Entdeckungen gemacht.

Ab den 1970er Jahren wurden Satelliten gestartet, die durch genauere und bessere Satelliten ersetzt werden sollten, so dass der Himmel in fast allen Teilen des elektromagnetischen Spektrums kartographiert werden konnte.

Entdeckungen lassen sich grob in zwei Typen einteilen: Körper und Phänomene. Körper sind Dinge im Universum, ob es sich nun um einen Planeten wie unsere Erde oder eine Galaxie wie unsere Milchstraße handelt. Phänomene sind Ereignisse und Geschehnisse im Universum.

Gremien

Der Einfachheit halber wurde dieser Abschnitt danach unterteilt, wo diese astronomischen Körper zu finden sind: Diejenigen, die um Sterne herum gefunden werden, sind Sonnenkörper, die innerhalb von Galaxien sind galaktische Körper und alles andere, was größer ist, sind kosmische Körper.

Solar

• Planeten
• Asteroiden
• Kometen

Galaktisch

• Sterne

Diffuse Objekte:

• Nebel
• Cluster

Kompakte Sterne:

• Weiße Zwergsterne
• Neutronensterne
• Schwarze Löcher

Kosmisch

• Galaxien
• Galaxienhaufen
• Supercluster

Phänomene

Burst-Ereignisse sind solche, bei denen es eine plötzliche Veränderung am Himmel gibt, die schnell wieder verschwindet. Diese werden Ausbrüche genannt, weil sie normalerweise mit großen Explosionen verbunden sind, die einen "Energieausbruch" erzeugen. Dazu gehören:

• Supernovae
• Novas

Periodische Ereignisse sind solche, die regelmäßig in sich wiederholender Weise auftreten. Der Name "periodisch" kommt von "Periode", was die Zeitdauer ist, die eine Welle benötigt, um einen Zyklus abzuschließen. Zu den periodischen Phänomenen gehören:

• Pulsars
• Variable Sterne

Lärmphänomene neigen dazu, sich auf Dinge zu beziehen, die vor langer Zeit geschehen sind. Das Signal von diesen Ereignissen wird im Universum so lange hin und her geschleudert, bis es von überall her zu kommen scheint und sich in seiner Intensität kaum mehr unterscheidet. Auf diese Weise ähnelt es dem "Rauschen", dem Hintergrundsignal, das jedes für die Astronomie verwendete Instrument durchdringt. Das häufigste Beispiel für Rauschen ist das Rauschen auf analogen Fernsehgeräten. Das wichtigste astronomische Beispiel ist: Kosmische Hintergrundstrahlung.

Instrumente

• Teleskope sind das Hauptinstrument der Beobachtung. Sie nehmen das gesamte Licht auf einer großen Fläche auf und setzen es auf einer kleinen Fläche ein. Das ist so, als ob Sie Ihre Augen sehr groß und kräftig machen würden. Astronomen benutzen Teleskope, um Dinge zu betrachten, die weit entfernt und schwach sind. Teleskope lassen Objekte größer, näher und heller erscheinen.
• Spektrometer untersuchen die verschiedenen Wellenlängen des Lichts. Das zeigt, woraus etwas gemacht ist.
• Viele Teleskope befinden sich in Satelliten. Sie sind Weltraumobservatorien. Die Erdatmosphäre blockiert einige Teile des elektromagnetischen Spektrums, aber spezielle Teleskope über der Atmosphäre können diese Strahlung aufspüren.

• Die Radioastronomie verwendet Radioteleskope. Die Blendensynthese kombiniert kleinere Teleskope zu einem Phased Array, das wie ein Teleskop funktioniert, das so groß ist wie der Abstand zwischen den kleineren Teleskopen.

Techniken

Es gibt Wege, wie Astronomen bessere Bilder des Himmels erhalten können. Licht aus einer weit entfernten Quelle erreicht einen Sensor und wird gemessen, normalerweise von einem menschlichen Auge oder einer Kamera. Bei sehr schwachen Quellen kann es sein, dass von der Quelle nicht genügend Lichtteilchen kommen, um es zu sehen. Eine Technik, die den Astronomen zur Verfügung steht, um es sichtbar zu machen, ist die Integration (ähnlich wie längere Belichtungen in der Fotografie).

Integration

Astronomische Quellen bewegen sich nicht viel: nur die Rotation und Bewegung der Erde bewirkt, dass sie sich über den Himmel bewegen. Wenn Lichtteilchen im Laufe der Zeit die Kamera erreichen, treffen sie auf die gleiche Stelle, wodurch sie heller und sichtbarer als der Hintergrund wird, bis sie gesehen werden kann.

Die Teleskope der meisten Observatorien (und Satelliteninstrumente) können normalerweise eine Quelle verfolgen, während sie sich über den Himmel bewegt, wodurch der Stern für das Teleskop still erscheint und längere Belichtungen möglich sind. Außerdem können Bilder in verschiedenen Nächten aufgenommen werden, so dass die Belichtungen Stunden, Tage oder sogar Monate umfassen. Im digitalen Zeitalter können digitalisierte Bilder des Himmels per Computer zusammengefügt werden, der die Bilder nach der Korrektur der Bewegung überlagert.

Adaptive Optik

AdaptiveOptik bedeutet, die Form des Spiegels oder der Linse zu verändern, während man auf etwas schaut, um es besser zu sehen.

Datenanalyse

Unter Datenanalyse versteht man den Prozess, mehr Informationen aus einer astronomischen Beobachtung herauszuholen, als durch einfaches Betrachten. Die Beobachtung wird zunächst als Daten gespeichert. Diese Daten werden dann mit verschiedenen Techniken analysiert.

Fourier-Analyse

Die Fourier-Analyse in der Mathematik kann zeigen, ob sich eine Beobachtung (über einen längeren Zeitraum) periodisch ändert (sich wie eine Welle verändert). Wenn dies der Fall ist, kann sie die Frequenzen und die Art des Wellenmusters extrahieren und viele Dinge einschließlich neuer Planeten finden.

Ein gutes Beispiel für ein Feld kommt von Pulsaren, die regelmäßig in Radiowellen pulsieren. Diese erwiesen sich als ähnlich wie einige (aber nicht alle) einer Art von hellen Quellen in Röntgenstrahlen, die als Low-mass X-ray binary bezeichnet werden. Es stellte sich heraus, dass alle Pulsare und einige LMXBs Neutronensterne sind und dass die Unterschiede auf die Umgebung zurückzuführen sind, in der der Neutronenstern gefunden wurde. Diejenigen LMXBs, die keine Neutronensterne waren, stellten sich als Schwarze Löcher heraus.

In diesem Abschnitt wird versucht, einen Überblick über die wichtigen Gebiete der Astronomie, ihren Zeitraum und die zu ihrer Beschreibung verwendeten Begriffe zu geben. Es ist anzumerken, dass die Astronomie in der Neuzeit hauptsächlich nach dem elektromagnetischen Spektrum unterteilt war, obwohl es einige Anzeichen dafür gibt, dass sich dies ändert.

Felder nach Körper

Sonnen-Astronomie

Die Sonnenastronomie ist die Lehre von der Sonne. Die Sonne ist der erdnächste Stern, der etwa 92 Millionen (92.000.000) Meilen von der Erde entfernt ist. Sie ist im Detail am einfachsten zu beobachten. Die Beobachtung der Sonne kann uns helfen zu verstehen, wie andere Sterne funktionieren und entstehen. Veränderungen auf der Sonne können das Wetter und das Klima auf der Erde beeinflussen. Ein Strom geladener Teilchen, der Sonnenwind genannt wird, wird ständig von der Sonne weggeschickt. Der Sonnenwind, der auf das Magnetfeld der Erde trifft, verursacht das Nordlicht. Das Studium der Sonne half den Menschen zu verstehen, wie die Kernfusion funktioniert.

Planetarische Astronomie

Die Planetenastronomie ist die Erforschung von Planeten, Monden, Zwergplaneten, Kometen und Asteroiden sowie anderer kleiner Objekte, die Sterne umkreisen. Die Planeten unseres eigenen Sonnensystems wurden von vielen besuchenden Raumsonden wie Cassini-Huygens (Saturn) und den Voyager 1 und 2 eingehend untersucht.

Galaktische Astronomie

Galaktische Astronomie ist das Studium ferner Galaxien. Das Studium ferner Galaxien ist der beste Weg, um etwas über unsere eigene Galaxie zu erfahren, da die Gase und Sterne in unserer eigenen Galaxie die Beobachtung erschweren. Galaktische Astronomen versuchen, die Struktur von Galaxien und ihre Entstehung mit Hilfe verschiedener Arten von Teleskopen und Computersimulationen zu verstehen.

Gravitationswellen-Astronomie

Die Gravitationswellenastronomie ist das Studium des Universums im Gravitationswellenspektrum. Bisher wurde in der gesamten Astronomie das elektromagnetische Spektrum verwendet. Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die von sehr dichten, ihre Form verändernden Objekten ausgesendet werden, zu denen Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher gehören. Da bisher niemand in der Lage war, Gravitationswellen direkt nachzuweisen, waren die Auswirkungen der Gravitationswellen-Astronomie sehr begrenzt.