Manche stellen sich das so vor, dass der Urknall an einem Punkt im Universum vor 14 Milliarden Jahren stattfand und sich seitdem mit maximal Lichtgeschwindigkeit ausgebreitet hat. Wenn das so wäre, hätte das Universum einen Radius von ca. 14 Milliarden Lichtjahren und außerhalb wäre nichts. Diese Ansicht ist wohl nicht korrekt. Es wäre so schwer zu erklären, warum wir mit unseren besten Teleskopen rundum fast identische Strukturen sehen. Es gibt von uns aus gesehen keine erkennbare Mitte dieses Universums. Man müsste also entweder annehmen, dass wir hier auf der Erde die Mitte sind, also der Punkt des Urknalls; oder wohl eher, dass diese Sicht falsch ist und es diesen Punkt des Ursprungs gar nicht gibt.

Man kann sich besser vorstellen, dass der Urknall überall gleichzeitig stattgefunden hat. Die von uns aus beobachtbare Kugel mit einem Radius von 14 Milliarden Lichtjahren ist der Bereich des Universums, der im Laufe des Alters des Universums mit Lichtgeschwindigkeit genug Zeit hatte, Licht zu uns zu senden. Auf diese Weise sind unsere Teleskope gewissermaßen Zeitmaschinen. Alles, was sie aus einer Milliarde Lichtjahren Entfernung optisch empfangen, ist dort vor einer Milliarde Jahren passiert. Und das geht so weiter bis eben das, was wir aus 14 Milliarden Lichtjahren Entfernung empfangen, dort vor 14 Milliarden Jahren geschehen ist, also zum Zeitpunkt des Urknalls.

Nehmen wir also für den Moment an, dass das Alter des Universums über die Lichtgeschwindigkeit auch direkt die Größe der Kugel definiert. Für das, was hier betrachtet wird, ist diese Annahme hinreichend.

Das bedeutet auch, dass etwas außerhalb dieser Kugel existieren kann und es vermutlich auch tut. Aber wir können es nicht nur nicht sehen, sondern es hat auch keine Auswirkungen auf uns, weil jegliche physikalische Wirkung auch noch keine Zeit hatte bis zu uns zu kommen.

Die Skala der Entfernung im Universum ist also gleichzeitig eine Skala für das Alter der Bilder, die wir sehen. Eigentlich ist das immer so, aber auf kurze Distanz spielt das kaum keine Rolle. Das Bild, welches wir vom Mond sehen, ist beispielsweise etwa eine Sekunde alt. Und das Licht, was von der Sonne zu uns kommt, ist 8 Minuten alt. Das sind Zeiträume, die für die Aktualität der Information kaum eine Rolle spielen. Aber im Universum muss man sich darüber klar sein, dass die Sichtbarkeit einer Information erst mal nichts mit einer Gleichzeitigkeit der beobachteten Ereignisse zu tun hat.

Mit den bisherigen Teleskopen kann man nicht sehr tief in diese 14 Milliarden Lichtjahre weit entfernte und 14 Milliarden Jahre alte Wolke aus Urmaterie hineinsehen. Das hat verschiedene Gründe. Der erste naheliegende Grund ist die schiere Entfernung und damit die benötigte optische Auflösung. Unser „Fotoapparat“ hat also kein hinreichend gutes „Tele“. Der zweite Grund ist, dass diese Urmaterie optisch sehr dicht ist. Wir können nicht sehr tief hineinsehen, sehen also nur die Oberfläche. Der dritte Grund ist wieder ein Resultat der Entfernung: Es sind sehr viele optisch aktive Strukturen dazwischen. Wir werden also von all den anderen unermesslich vielen Galaxien dazwischen „photo-bombed“.

Eine Antwort auf diese Herausforderung ist nun das James Webb Space Telescope. Es arbeitet im Infrarot. In diesem Spektralbereich passiert in weiten Teilen des Universums eher wenig, je näher man dem Urknall kommt, aber immer mehr. Wir sehen also genau das für uns interessante. Dazu ist die Auflösung dieses neuen Geräts fantastisch hoch, sodass es auch aus dieser Entfernung noch gut aufgelöste Bilder liefert. Und diese Urmaterie ist im Infraroten weniger dicht. Man kann also tiefer hineinsehen, also mit der „Zeitmaschine“ weiter zurück sehen.

Es gibt hier noch viele weitere Dinge zu verstehen und zu betrachten. Zum einen dehnt sich das Universum aus. Die optischen Informationen, die hier nach einer Milliarde Jahren ankommen, sind also von einem Ort, der sich inzwischen weiter entfernt befindet. Dieser Effekt hat nur zum Teil etwas mit „normaler“ Bewegung zu tun. Das beobachtbare Universum ist fast dreimal so groß als es bei Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit sein dürfte. Das kann man sich so vorstellen, dass nicht die Objekte im Raum sich voneinander entfernen, sondern sich der Raum selbst vergrößert.

Andererseits ist das Licht durch diese Expansion in den Bereich der roten Wellenlängen verschoben. Das muss berücksichtigt werden, wenn man das Licht gemäß der Planckschen Strahlungsverteilung einer Temperatur zuordnen möchte, oder anhand der Spektrallinien die beteiligten chemischen Elemente bestimmen möchte. Die Mathematik des beobachtbaren Universums ist nicht ganz einfach. Aber vielleicht sind ein paar grundsätzliche Dinge klarer geworden.

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In erster Näherung dreht sich im Sonnensystem alles kreisförmig um die gleiche Achse um den Mittelpunkt der Sonne oder um eine Achse parallel zu dieser um den Mittelpunkt eines Planeten (Monde):

Die Planeten drehen sich also um die Sonne und die Sonne um sich selbst. Die Monde drehen sich um ihre Planeten und die Planeten um sich selbst. Und die Monde drehen sich auch um eine parallele Achse um sich selbst.

Da sich aus diesem einfachen Modell ein kreis- bzw. scheibenförmiges, flaches Sonnensystem ergibt, wird anschaulich auch von ‚Pizza-Modell‘ oder ‚Pizzaschachtel-Modell‘ gesprochen.

„Wo Licht ist, da ist auch Schatten“, sagt ein altes Sprichwort, und so ist von der Sonne aus gesehen hinter jedem Planeten und hinter jedem Mond ein Schatten. Dieser ist immer Kegel-förmig, da die Sonne größer ist als alle anderen Objekte im Sonnensystem; d.h. dieser Schatten hört sehr nah hinter dem Planeten oder Mond wieder auf.

Bei Erde und Mond sind die Größenverhältnisse und Abstände nun so, dass der Schatten des Mondes eben gerade bis zur Erdoberfläche reicht und umgekehrt der Mond ziemlich genau in den Erdschatten passt.

Wenn diese Näherung exakt richtig wäre, müssten wir also bei jedem Neumond auch eine Sonnenfinsternis und bei jedem Vollmond eine Mondfinsternis haben. Tatsächlich haben wir das aber nur alle halben Jahre für 2 oder 3 halbe Mondphasen. Zweimal im Jahr ist also ein Neumond eine Sonnenfinsternis und ein Vollmond eine Mondfinsternis.

Der Grund dafür ist, dass die Achse, um die sich der Mond um die Erde dreht, ca. 6° von der Achse abweicht, um die sich die Erde um die Sonne dreht. Das führt dazu, dass der Mond sozusagen „schief“ in der Ekliptik liegt.  Er steht ein halbes Jahr lang auf der Neumond-Seite „über“ der Sonne. So ist er dem Licht der Sonne zur Erde nicht im Weg und auf der Vollmond-Seite „unter“ dem Erdschatten steht und so an der Erde vorbei von der Sonne beschienen wird. Das andere Halbjahr ist es dann genau andersherum.

Nur alle halben Jahre ist er sozusagen genau in der „Mitte“ und die Schatten „treffen“. Die Punkte, wo die Mondbahn durch die Ekliptik geht, nennt man „Knoten“. Man kann also auch sagen, dass es eine Eklipse geben kann, wenn die Verbindungslinie der Knoten auch gerade die Verbindungslinie von Erde zu Sonne ist. Dieses “auf einer Linie liegen” nennt man in der Astronomie eine Konjunktion.

Die Größenverhältnisse und Abstände zusammen mit diesen 6° Schieflage ergeben für ca. 6 Wochen eine Möglichkeit zur Eklipse. Nun hängt es davon ab, wie die tatsächliche Mondposition nun genau in diese 6 Wochen fällt. Theoretisch passen da drei halbe Mondphasen rein. Es können also erst eine Sonnenfinsternis, dann eine Mondfinsternis und dann wieder eine Sonnenfinsternis eintreten, oder umgekehrt. Meist sind es aber nur eine Mondfinsternis und dann eine Sonnenfinsternis, oder umgekehrt.

Was von der Finsternis genau zu sehen ist, hängt noch von einigen weiteren Faktoren ab. So sind die Bahnen selbst auch nicht wirklich rund, sondern elliptisch. D.h. die Abstände variieren und damit kann der Schatten des Mondes unterschiedlich groß sein und der Mond kann unterschiedlich tief in den Schatten der Erde eintauchen. Oder der Mond erscheint so klein, dass die Sonne ringförmig um den Mond „herum scheinen“ kann. Manchmal ist eine Eklipse auch gerade noch so am Rand der 6 Wochen, sodass der Mond die Sonne nur seitlich etwas verdeckt oder seitlich in den Erdschatten eintaucht. Und natürlich hängt es auch davon ab, wo man sich gerade auf der Erde befindet, während es passiert. Wenn eine Periode sehr nah am Jahresanfang liegt, kann es vorkommen, dass in dem Jahr noch eine dritte Periode am Jahresende beginnt.

Um noch tiefer in das Thema einzutauchen, muss berücksichtigt werden, dass der Mond nicht einfach um die Erde kreist, sondern genauer Erde und Mond um ihren gemeinsamen Massenmittelpunkt kreisen. Bei Erde und Mond macht dieser Effekt einiges aus. Das Prinzip gilt aber auch bei Erde und Sonne, auch wenn es da weniger stark ausgeprägt ist. Noch mehr in die Tiefe geht man, wenn man nicht nur immer paarweise zwei Himmelskörper betrachtet, sondern berücksichtigt, dass sich alle Himmelskörper in Abhängigkeit von Abstand und Masse gegenseitig beeinflussen. So gibt es immer feinere sogenannte Störungen, oder besser gesagt Korrekturen, die die genauen Bahnen der Himmelskörper beeinflussen.

Geschichte

Vielleicht ist in diesem Zusammenhang noch interessant, wie schwierig es war, diese Dinge zu berechnen und vorherzusagen. Heute stehen uns leistungsstarke Teleskope und Satelliten zur Verfügung und dazu haben wir mathematische Modelle und Computer, mit denen wir viele Simulationen durchrechnen können.

Aber für die grundsätzlichen Dinge reichen viel einfachere Hilfsmittel. Wenn man es schafft, die Bahn der Sonne und des Mondes über ein Jahr hinweg aufzuzeichnen, wird einem auffallen, dass die Bahnen eng benachbart sind und im Verlaufe des Jahres sich die beiden Bahnen zweimal nahe kommen und dabei überschneiden. Immer wenn das passiert, kommt es beim Vollmond zu einer Mondfinsternis. Für einen ortsgebundenen Beobachter ist es etwas schwerer zu erkennen, dass es bei Neumond zu einer Sonnenfinsternis kommt, weil diese nur immer in einer recht kleinen Region zu beobachten ist.

Wenn die Beobachtungen aber über einen größeren Bereich koordiniert werden, kann man auch mit einfachen Hilfsmitteln bei Sonnenfinsternissen diese Regelmäßigkeit erkennen. Daher gelang dies auch schon Gelehrten in früheren Zeitaltern der menschlichen Kultur.

Interessant ist dabei auch, aus welchen Beobachtungen damals welche Schlüsse gezogen wurden. Beispielsweise lässt sich zwischen Neumond und Vollmond recht genau der Zeitpunkt von “Halbmond” bestimmen. Zeichnet man sich dazu eine Skizze, erkennt man ein rechtwinkliges Dreieck mit der Entfernung Erde-Mond als die eine Kathete und Sonne-Mond als die andere. Die Linie Erde-Sonne ist die Hypothenuse. Misst man nun den Winkel zur Sonne, so kann man zwei Dinge abschätzen: Zum einen ist die Sonne viel weiter entfernt als der Mond. Zum anderen muss sie entsprechend viel größer sein, da man bei Sonnenfinsternissen beobachten kann, dass sie von der Erde aus betrachtet gleich groß erscheinen. Diese Beobachtungen machte Aristarchos von Samos vor über 2000 Jahren.

Zukunft

Bisher musste man entweder auf eine Sonnenfinsternis warten, um die Korona beobachten zu können, oder man hat in geeigneten Teleskopen die Sonnenscheibe verdeckt. So konnte man den Rand um die Sonne herum beobachte ohne von der helleren Sonne geblendet zu werden. Zum einen ist dies natürlich recht gefährlich, weil man sich auf die Genauigkeit der Verdeckung verlassen muss um nicht die Augen oder die Messgeräte zu verbrennen. Zum anderen ist das Ergebnis auch nicht sehr gut, weil die Abdeckung sich natürlich durch die absorbierte Strahlung erhitzt und so Schlieren in der Luft drumherum erzeugt.

Seit Kurzem können wir nun die Korona der Sonne mit Proba-3 beobachten. Diese Mission besteht aus zwei Satelliten von denen der eine quasi eine Sonnenfinsternis für den anderen erzeugt. Das Ergebnis sind beeindruckende Bilder der sonnennahen Korona, jederzeit und ohne Beeinflussung durch das Wetter.

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