Astronomie: Die Wissenschaft der seltsamen Einheiten (Teil 1)

Etwas, das jedem auffällt, der sich ein bisschen näher mit Astronomie beschäftigt, ist die große Anzahl der etwas ungewöhnlichen Einheiten. In den anderen Naturwissenschaften werden ja doch größtenteils die standardisierten SI-Einheiten (bzw. Ableitungen davon) verwendet. In der Astronomie findet man dagegen viele Einheiten bzw. Parameter die auf den ersten Blick nicht sehr intuitiv bzw. praktisch wirken. Ein Grund dafür ist vielleicht die lange Geschichte der astronomischen Forschung; viele Einheiten werden aus historischen Gründen heute immer noch verwendet und wurden nicht „modernisiert“.

Eine dieser seltsamen Einheiten findet man gleich wenn man sich einer der wichtigsten Messgrößen der Astronomie zuwendet: der Helligkeit von Sternen. Neben der Richtung, aus der das Licht der Sterne kommt (Positionsastronomie bzw. Astrometrie) und der Qualität des Sternenlichts (Spektroskopie) ist die Messung der Helligkeit – die Photometrie – der dritte große Zweig der beobachtenden Stellarastronomie. Einer der ersten, der sich damit beschäftigte, wie man die Sterne anhand ihrer Helligkeit einteilen kann, war Hipparchos von Nicäa (~190 v.Chr. bis ~120 v.Chr.). Er teilte die mit freiem Auge sichtbaren Sterne in sechs Größenklassen ein. Die hellsten Sterne am Himmel wurden als „Sterne erster Größe“ katalogisiert; diejenigen, die man gerade noch mit freiem Auge sehen konnte als „Sterne sechster Größe“.

Dieses System der Größenklassen existiert auch heute noch. Die (scheinbare oder absolute) Helligkeit eines Sterns wird immer noch in Größenklassen bzw. Magnituden angegeben und mit „mag“ oder einem hochgestellten ^m gekennzeichnet. Die Helligkeit war immer schon eine etwas knifflige Messgröße. Vor der Verwendung von fotografischen Platten in der Astronomie gab es keine objektive Möglichkeit die Helligkeit zu bestimmen. Beobachter mussten durch freiäugige Beobachtung die Größenklassen durch Vergleich mit Referenzsternen abschätzen. Um das ganze objektiver zu machen, wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts eine „neue“ Helligkeitskala, basierend auf der Arbeit von Norman Pogson eingeführt. Da das menschliche Auge Reize logarithmisch verarbeitet verwendete er auch eine logarithmische Skala! Das bedeutet, das bei einer Verdoppelung des Reizes (also des auf das Auge treffenden Lichtflusses) sich die Empfindung nicht verdoppelt sondern nur um etwa 30% stärker wird! Betrachtet man zwei Lichtquellen, von denen die eine 100 mal mehr Licht aussendet als die andere, dann erscheint diese dem Auge nur doppelt so hell (der Logarithums von 100 ist 2).

Die genau Geschichte, wie sich die astronomische Helligkeitsskala entwickelt hat, ist vermutlich einen eigenen Beitrag wert; es läuft jedoch darauf hinaus, das diese inverse, logarithmische Skala auch heute noch verwendet wird: hellere Sterne haben eine kleinere Magnitude als schwächere Sterne; und wenn ein Stern eine doppelt so große Magnitude hat wie ein andere, bedeutet das nicht, das er auch doppelt so viel Licht aussendet. Für Laien ist das oft verwirrend: liest man z. B., das Stern 1 eine scheinbare Helligkeit von 3,7 Magnituden hat und Stern 2 6 Magnituden hell ist, dann bedeutet das, das Stern 1 das hellere Objekt ist und in diesem Fall noch leicht mit freiem Auge gesehen werden kann während Stern 2 gerade an der Grenze der Sichtbarkeit liegt.

Die besten Teleskope schaffen es heute übrigens, Sterne bis etwa zur 30. Größenklasse zu sehen. Das sind „nur“ 24 Größenklassen mehr als die Sterne, die man gerade noch mit freiem Auge sehen kann – allerdings entspricht das einem Unterschied von knapp 4 Milliarden im Lichtfluss! Die besten Teleskope die heute existieren, können also Sterne sehen, die 4 Milliarden mal schwächer leuchten als diejenigen, die wir mit unseren Augen am Himmel sehen können!

Eine andere „seltsame“ Einheit der Astronomie ist die Metallizität. Damit bezeichnet man in der Astrophysik die Häufigkeit von Metallen in Sternen. Astronomen haben allerdings eine etwas andere Definition von „Metall“ als in der Physik bzw. der Chemie üblich ist. In der Astronomie wird bis auf Wasserstoff und Helium jedes Element als Metall bezeichnet…

Das hat natürlich auch einen Grund: kurz nach dem Urknall waren Wasserstoff und Helium die einzigen Elemente, die in sehr großen Mengen erzeugt wurden¹. Deswegen bestanden auch die allerersten Sterne im Universum² nur aus Wasserstoff und Helium. Alle anderen, schwereren Elemente konnten erst durch die nuklearen Prozesse im Inneren dieser Sterne erzeugt werden und wurden dann durch Supernova-Explosionen quasi wieder im Universum freigesetzt und standen so den nachfolgenden Sternen als „Bau- und Brennmaterial“ zur Verfügung.

Wasserstoff und Helium haben also insofern eine Sonderstellung, als das sie direkt nach dem Urknall entstanden sind; alle anderen Elemente entstanden erst viel später durch die nukleare Verbrennung in inneren von Sternen. Warum sie deswegen aber alle pauschal als „Metalle“ bezeichnet werden, weiß ich auch nicht 😉 Ich habe schon viele Kollegen gefragt; in alten astronomischen Zeitschriften recherchiert – bis jetzt allerdings noch nichts Konkretes gefunden. Immerhin existiert diese Bezeichnung auch schon länger: schon Joseph Norman Lockyer, einer der Pioniere der Spektroskope, verwendete Ende des 19. Jahrhunderts die Bezeichnung „metallic lines“ (Ich werde auf jeden Fall weiterforschen und wenn eventuelle Ergebnisse hier natürlich gleich veröffentlichen).

Die Astronomie verwendet noch einige andere seltsamen Einheiten und Größen mit interessanter Geschichte. Die werde ich aber später in einer (oder mehrerer) Fortsetzung dieses Beitrags vorstellen.

Fußnoten:
¹ Genaugenommen wurde auch das Lithium-Isotop ⁷Li in nennenswerten Mengen erzeugt.
² Das sind Sterne der sogenannten Population III. Das ist wieder so eine seltsame Konvention: die gegenwärtigen Sterne gehören zur Population I; die älteren zur Population II; die ältesten und allerersten Sterne zur Population III.