Schwarze Linien im Licht? Was sie verraten! | Harald Lesch Black lines in the light? What they reveal! | Harald Lesch Linhas negras na luz? O que elas revelam! | Harald Lesch

Woher wissen wir eigentlich überhaupt was von den Sternen? Die sind so weit weg, nur Punkte am Himmel. How do we actually know anything about the stars? They're so far away, just dots in the sky.

Damit hat alles angefangen. Damit beginnt die moderne Astronomie. Damit beginnt sogar das Problem, It all started with that. This is where modern astronomy begins. This even starts the problem

das später von der Quanten- mechanik gelöst wird, nämlich: which is later solved by quantum mechanics, namely:

Was ist eigentlich die Natur des Lichts? Wie kommen schwarze Linien ins Licht? What is the nature of light? How do black lines get into the light?

[Intro-Musik]

Wir sind hier in der Ausstellung "Natur- wissenschaften um 1800" und hier kann man lernen, We are in the exhibition "Natural Sciences around 1800" and here you can learn

wie Naturwissenschaften um 1800 angefangen haben, sich mit dem Sichtbaren und dem Unsichtbaren how science began around 1800, dealing with the visible and the invisible

zu beschäftigen. Das Spektrum hier, von Joseph von Frauenhofer 1814 veröffentlicht, too busy. The spectrum here, published by Joseph von Frauenhofer in 1814,

stammt eigentlich aus einer Untersuchung darüber, wie man Linsen optimal schleifen kann, sodass actually comes from an investigation into how to grind lenses optimally, so

sie, möglichst unabhängig von der Farbe, das Licht so brechen, wie sie es tun sollen. regardless of the color, they refract the light as they should.

Und dabei entdeckte er im Sonnenlicht, also dem Spektrum der Sonne, hauchdünne schwarze Linien. And he discovered wafer-thin black lines in sunlight, the spectrum of the sun.

Wie sich rausstellen wird, sind es Absorptionslinien, die dadurch entstehen, dass Licht verschluckt wird. As it turns out, it is absorption lines that arise when light is swallowed.

Angefangen hat alles damit, dass Isaac Newton Licht durch ein Prisma geschickt hat. It all started with Isaac Newton sending light through a prism.

Und dann wurde aus dem weißen Licht das hier. Alle waren begeistert, was das Glas mit dem Licht macht! And then the white light became this. Everyone was excited about what the glass does with the light!

Dann hat Newton ein zweites Prisma genommen, hat nur das rote Licht durchgeschickt und es blieb rot. Then Newton took a second prism, just sent the red light through and it stayed red.

Es war nicht das Prisma, was das Licht farbig machte, sondern das sind die Bestandteile von weißem Licht. It wasn't the prism that colored the light, but the components of white light.

Aber was hat es mit den Linien auf sich? Dunkle Linien im Spektrum der Sonne. But what about the lines? Dark lines in the spectrum of the sun.

Was ist denn das? Wir haben auf der einen Seite den Körper, der strahlt, nämlich die Sonne, und What's that? We have on one side the body that shines, namely the sun, and

offenbar hat die Sonne noch eine Atmosphäre, die sogenannte Photosphäre. Die Sonne ist ein ziemlich

großer Gas-Ball - 700.000 km Radius und eine Temperatur von über 5.700 Kelvin. Und über ihr ist

eine Atmosphäre aus dünnerem Gas. Also das dichte Gas der Sonne produziert ein kontinuierliches

Spektrum und die Atmosphäre darüber verschluckt in Teilen das Licht, das von diesem Gas-Ball kommt. The spectrum and the atmosphere above swallow up part of the light that comes from this gas ball.

Fast 50 Jahre später werden andere feststellen, dass es nicht nur Absorptionslinien gibt, sondern

auch Emissionslinien. Das heißt, es wird Licht verschluckt oder abgegeben. Man hat zwei verschiedene also emission lines. This means that light is swallowed or given off. You have two different ones

Arten, wie Licht von Atomen aufgenommen wird. Und dann erkannte man Mitte des 19. Jahrhunderts,

dass jede dieser Linien mit chemischen Elementen zusammenhängt. Das ist gar nicht so lange her, that each of these lines is related to chemical elements. It wasn't that long ago

dass wir begriffen haben, dass es wirklich Atome gibt und dass diese Atome Licht in einer bestimmten

Form aufnehmen und abgeben. Und zwar nicht kontinuierlich, sondern im Gegenteil. Das war der

Beginn der Quantenmechanik. Weil man nämlich fest- stellte, dass es in jedem Atom nur bestimmte Beginning of quantum mechanics. Because you found that it only determined in each atom

Zustände gibt, die von Energie aufnehmenden oder abgebenden Elektronen eingenommen werden können.

Wenn sie im Grundzustand sind, können sie Energie aufnehmen, z. Bsp. auf einen anderen Zustand springen.

Wenn sie dann da oben sind, gibt es eben dieses grundlegende Prinzip in der Physik: Wenn ein System When they are up there, there is this basic principle in physics: if a system

angeregt ist, wird es sich möglichst schnell wieder auf den Grundzustand niedrigster Energie abregen. is excited, it will re-energize to the basic state of lowest energy as quickly as possible.

Dann wird es die gleiche Menge Energie, die es aufgenommen hat, wieder abgeben. Und da das Licht Then it will release the same amount of energy it has absorbed. And there the light

in eine zufällige Richtung wieder abgegeben wird, fehlt dieser Teil des Spektrums in der is emitted again in a random direction, this part of the spectrum is missing in the

ursprünglichen Richtung des Lichts und das zeigt sich als Absorptionslinie.

Je mehr Elektronen in einem chemischen Element verteilt sind, umso vielfältiger The more electrons are distributed in a chemical element, the more diverse

kann das Spektrum sein. Jedes Element hat sein charakteristisches Muster und kann über diese can be the spectrum. Each element has its characteristic pattern and can be done with it

Linien identifiziert werden. Bei den einfachsten Elementen, Wasserstoff und Helium, Lines are identified. With the simplest elements, hydrogen and helium,

ist das Spektrum zwar auch schon vielfältig, aber längst nicht so wie bei vielen anderen chemischen the spectrum is already diverse, but not at all like many other chemical ones

Elementen, weil da einfach viel mehr Elektronen in der Hülle sind.

Das ist tatsächlich der Beginn der Untersuchung der Materie auf einer Längenskala, die für

uns unsichtbar ist. Wir reden über Teilchen, die winzig sind. Atome sind total winzig.

Wenn wir 1 Gramm von unserem Finger abschneiden, haben wir eine Quadrillion Atome drin.

Atome müssen unglaublich klein sein. Und doch gelingt es, die Dynamik und die Physik dieser

Atome damit zu verstehen, dass man das abgegebene Licht genauer untersucht.

Damit hat man ein molekulares Skalpell, um Materie auf einer ganz kleinen Längenskala zu untersuchen.

Was macht man heute in der Astronomie mit diesen Emissions- und Absorptionslinien?

Man findet Planetensysteme um andere Sterne herum! Weil nämlich dadurch, dass ein Planet sich

um einen Stern herum bewegt, der Stern vom Planeten genauso angezogen wird, wie umgekehrt,

das heißt, die bewegen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt.

Der Stern eiert ein wenig, das heißt, er torkelt um diesen Schwerpunkt herum.

Und diese Bewegung kann man in den Linien sehen. Die Blau- oder Rotverschiebung des gesamten

Spektrums ohne die schwarzen Linien wären in der Praxis viel zu schwer zu messen.

Bei Frauenhofer war das noch unmöglich, der hat stationäre Spektren beobachtet. Aber wir können

heute Spektren so weit auseinander ziehen und dabei ganz feine Bewegungen von Spektralen

beobachten und auf diese Weise direkt darauf schließen, ob um einen anderen Stern herum sich

ein Planetensystem bewegt. Wir können aber auch entdecken, ob etwas zwischen uns und den Sternen ist.

Ob da ein Material ist, das das Licht der Sterne verschluckt. Und zwar vor allen Dingen dann, wenn sich

diese Linien nicht bewegen. So wurde das inter- stellare Medium entdeckt. Anhand von nicht bewegten

Absorptionslinien. Da beobachtete jemand ein Doppelsternsystem, also ein Stern der um einen

anderen kreist und da gab es abwechselnd Rot- und Blauverschiebungen und dazwischen waren

Linien, die sich nicht bewegt haben. Während alle anderen Linien sich hin und her bewegt haben,

waren da Calcium-Absorptionslinien, die sich einfach nicht bewegt haben. Und damit war klar, dass

zwischen dem Beobachter und dem Stern ein Material sein muss, dass Teile des Lichts verschluckt

aber in keiner Weise mit der Bewegung des Sterns zusammenhängt. Das interstellare Medium war

entdeckt. Man hat sogar so das interstellare Medium anderer Galaxien entdeckt. Und, noch viel

toller: Man kann anhand bestimmter Linien gar die Rotation von Galaxien beobachten.

Also die Gesamtbewegung eines Objektes, das mehrere 100.000 Lichtjahre groß ist.

Und man kann sehen, wie sich das Material um schwarze Löcher herum bewegt und vieles anderes mehr.

Also die Entdeckung der Absorptions- linien im Spektrum unserer Sonne war der

Beginn einer unglaublichen Entdeckungsreise der Astronomie.