spektroskopie

Wir Hobbyastronomen und Astrofotografen machen gerne bunte Bilder von schönen Nebeln oder weit entfernten Galaxien. Aber kann man mit einer Amateurausrüstung auch die Ausdehnung des Raumes beobachten? Ja man kann! Und wie das geht möchte ich nun kurz zusammenfassen.

Schon Immanuel Kant vermutete in seinem anonym veröffentlichten Werk “Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels”, dass unsere Milchstraße nicht die einzige Welteninsel sei, die es im Universum gäbe. Bis zum endgültigen Nachweis dieses Umstands sollte jedoch noch einige Zeit vergehen und sich einige geniale Denker ihre Köpfe zerbrechen. Nicht zuletzt aufgrund der hervorragenden Ideen von einem gewissen Herrn namens Fraunhofer, konnte in den 1920er Jahren Sir Edwin Hubble ein paar grundlegende Dinge über das Universum nachweisen. Er tat dies indem er Spektren von Sternen mit denen von sogenannten Nebeln verglich. Bei der Spektroskopie wird das Licht von einem Stern so gestreut, dass sein gesamtes sichtbate Spektrum zum Vorschein kommt. (wer sich unter einem Spektrum nichts vorstellen kann: es sieht aus wie ein Regenbogen…) Hubble bemerkte, dass die Spektren der Nebel im Vergleich zu den Sternspektren in den roten Bereich hin verschoben waren und dass sie daher viel weiter weg sein mussten als die uns relativ nahen Sterne. (Den gleichen Effekt kann man auch in akustischer Form genießen. Das ist der sogenannten Doppler-Effekt. Dazu kommt es z.B. bei herannahenden…vorbeifahrenden…und sich entfernenden Motorrädern oder Einsatzfahrzeugen…ich möchte das hier nicht weiter erklären…hör entweder hin oder füttere die Suchmaschine…)

Damit war klar, dass Hr. Kant wohl recht behalten hatte. Die Milchstraße ist nicht die einzige Galaxie, die es im Universum gibt. Doch noch mehr fand Hubble heraus: Je weiter nämlich eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich…was Hubble damals nachwies, revolutionierte unser Weltbild und die Vorstellung, die wir von der Größe des Universums hatten. Darum finde ich es eine spannende Angelegenheit diesen Nachweis nachzuvollziehen. Eine wissenschaftliche Coverversion mit einfachsten Mitteln sozusagen…

Besitzt man bereits eine Ausrüstung, die so halbwegs zur Astrofotografie taugt, benötigt man eigentlich nurmehr einen spektroskopischen Filtervorsatz (Star Analyser Euro 100) und eine Software, die mit spektroskopischen Aufnahmen umgehen kann. Es gibt einige kostenlose Programme im Netz…aber die wohl bequemste Lösung scheint mir das kostenpflichtige Programm RSpec zu sein…

Was habe ich nun verwendet?

EQ6, GSO10″ (Brennweite 1250mm), Canon 40d astromodifiziert, StarAnalyser, RSpec;

Um die Bewegung des Raumes zu veranschaulichen, habe ich einen relativ nahen Stern (Wega Entfernung ca. 25 Lichtjahre) mit einem weit entfernen Quasar (3C273 ca. 2,4Mia Lichtjahre) verglichen. Genaugenommen nahm ich mir jeweiligen H-alpha-Linien der Spektren zum Vergleich vor.

Bevor man aus RSpec Daten ablesen kann, muss es erst einmal kalibriet werden. Diesen Vorgang hier zu beschreiben würde eindeutig den Rahmen sprengen. Mein Wahl fiel deshalb auf Wega, weil ich spitz bekommen habe, dass es sich bei dem A0V-Stern-Referenzspektrum in der RSpec-Bibliothek eben um Wega handelt und so eine Kontrolle der Richtigkeit meiner Daten besonders zuverlässig sein würde. (RSpec wird mit A0V-Sternen kalibriert, da diese eine auffällige H-betha-Linie in ihrem Spektrum tragen und das Kalibrieren dadurch leichter fällt) Hier nun zuerst mein Spektrum, das ich von Wega aufgenommen habe…noch ziemlich roh (ohne Kamera-Response) dafür aber bunt eingefärbt:

Spektrum Vega bunt

Nach dem Kamera-Response und dem Hinzufügen der Referenzdatei aus der RSpec-Bibliothek ist klar zu sehen, dass die Ausschläge der Kurve sehr nahe an den professionellen Ergebnissen liegen:

Spektrum Wega lib

Die rote Kurve beschreibt das Spektrum, dass ich aufgenommen habe und die Blaue das Referenz-Material. Die Kalibrierung ist also abgeschlossen. Nun muss nur noch die H-Alpha-Linie gefunden und abgelesen werden. In der Spektroskopie maß man in früheren Zeiten die Wellenlänge in Angström…mittlerweile misst man sie in Nanometern. Ich verwende die Maßeinheit Angström, weil sie eindeutig cooler klingt 🙂

Spektrum Wega H

Auch die Wasserstofflinien (blau) zeigen klar, dass meine Messergebnisse sehr nahe am Soll-Wert liegen…

xx Spektrum Wega

Hier nun die H-alpha-Linie von Wega. Sie hat laut meiner Messung die Wellenlänge 6571 Angström. Ihr exakter Soll-Wert wäre 6562,8 Angström…

Nun zum Quasar:

Spektrum 3C273 bunt

Spektrum Vega bunt

Oben sehen wir das Spektrum des Quasars und unten och einmal das von Wega. Man sieht schon ohne nachzumessen, dass das Spektrum von 3C273 rotverschoben ist. Zu meinem Erstaunen war dies aber bereits auf diesem Roh-Bild zu sehen:

3C 273 (2 von 2)

Man vergleiche die erste Ordnung des Quasars mit der darunterliegenden von einem gewöhnlichen Stern.

xx Spektrum 3C273

Nun zur H-Alpha-Linie des Quasars. Sie befindet sich bei 7622 Angström. Nun da dies eindeutig mehr ist als 6571 würde ich an dieser Stelle mal behaupten 3C273 bewegt sich von uns weg…dies würde ich natürlich nicht so einfach postulieren, wenn ich nicht auf den Schultern von Giganten stehen würde…

Mein Ziel die Ausdehnung des Kosmos mit einfachen Mitteln sichtbar zu machen wäre somit erreicht. Nun möchte ich aber noch die Rotverschiebung z, die Geschwindigkeit mit der sich 3C273 von uns weg bewegt und seine durch das Spektrum gemessenen Entfernung berechnen. Ich vergleiche meine Ergebnisse jeweils mit denen aus der NASA/IPAC Extragalactic Database:

Zuerst wird die Rotverschiebung ausgerechnet:

z= (beobachtete Wellenlänge – Wellenlänge naher Stern )/ Wellenlänge naher Stern

mit meinen Daten in der Gleichung sieht das so aus:

z= (7622 – 6571 )/ 6571

z= 0,1599452…

Die Messung der NASA/IPAC Extragalactic Database:

z=0,1583…

Zufriedenheit!

Nun zur Geschwindigkeit in der sich 3C273 entfernt:

v=z*c                   c=299792km/s

v=47950km/s            (gerundeter Wert)

Die Messung der NASA/IPAC Extragalactic Database:

v=47400km/s

Große Zufriedenheit!

Mit Hilfe einer Hubble Konstante von 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec habe ich nun noch die Entfernung des Quasars ausgerechnet:

656,8493 Mpc das sind ca. 2,14Mia Lichtjahre

NASA/IPAC Extragalactic Database kommt auf 649Mpc

Ich hätte nicht gedacht, dass man mit Hobby-Gerät nur annähernd Daten in dieser Genauigkeit produzieren kann und ich freue mich, dass mein Experiment tatsächlich gelungen ist. Obwohl dies nicht mein letztes sein wird, so war es doch in Bezug auf die Spektroskopie meine Hauptmotivation die Ausdehnung des Kosmos darzustellen. Indirekt sind mit der Ausdehnung ja auch Begriffe wie der Urknall, die Dunkle Energie usw. verbunden und so bin ich schon ein wenig stolz auf diesen kleinen Beitrag. Schon erstaunlich was wir Affen alles herausgefunden haben über die Welt die uns umgibt!

Eines gilt es aber noch loszuwerden: Nur weil ich die Ausdehnung des Kosmos hier so begeistert abbilde, heißt das noch lange nicht, dass ich sie gutheiße. Immerhin wird diese ganze Expansionswut zum Ende aller Sterne und dem ganzen Rest führen. Das kann, denke ich, kein Säugetier gutheißen. Besonders nicht wenn es Hobbyastronom ist. Hätte ich bei der Erschaffung der Welt etwas mitzureden gehabt, hätte ich so manches anders gemacht… 🙂

Ich möchte mich bei dem Hr. MICHMITHUND https://michmithund.wordpress.com/ für seinen guten Tipp, dass Fistwork alles stackt was man ihm hinwirft bedanken. Ohne diesen Hinweis wäre das vielleicht alles nix geworden…

Und der Hr. BADDADDY https://deepskydaddie.wordpress.com/ hat dies hier beigesteuert:

https://www.youtube.com/watch?v=5U1-OmAICpU

trash on!