Faszinierende Astronomie: Warum ist es nachts dunkel?

Es ist wohl die einfachste astronomische Beobachtung, die man machen kann: Tagsüber ist es hell, nachts ist es dunkel! Diese Tatsache ist so fundamental das kaum jemand wirklich darüber nachdenkt. Dabei lassen sich allein aus dieser simplen Beobachtung grundlegende Eigenschaften unseres Universums ableiten!

Die Frage, warum es nachts dunkel ist, wird heute im Allgemeinen als „Olberssches Paradoxon“ bezeichnet. Es geht zurück auf Heinrich Wilhelm Olbers der sich 1826 über genau dieses Problem Gedanken machte. Aber warum sollte man sich über dieses Thema überhaupt Gedanken machen? Eigentlich ist doch klar, warum es nachts dunkel ist: dann geht die Sonne unter (bzw. genauer: es dreht sich die Erde soweit, das der eigene Standort nicht mehr von der Sonne beschienen wird). Warum sollte es nachts nicht dunkel sein?

Die Überlegungen lauteten damals in etwa so: Im Universum gibt es überall Sterne (unendlich viele) die mehr oder weniger gleichmäßig verteilt sind. Egal an welche Stelle des Himmels man blickt, man müsste eigentlich immer einen Stern sehen! Das Licht eines Sterns erlischt nicht irgendwo unterwegs – auch wenn der Stern sehr weit weg ist, kommt etwas davon auf der Erde an. Der Himmel dürfte also nicht dunkel sein – sondern vielmehr taghell! Was ist also der Grund dafür, das es nachts trotzdem dunkel ist?

Betrachten wir dazu die obigen Überlegen etwas genauer. (Jetzt kommt ein kleines bisschen Mathematik – aber keine Angst; es wird nicht schlimm! 😉 Wer trotzdem gleich zur Konklusio der Rechnungen springen will, kann das HIER tun.) Es wird davon ausgegangen, dass die Sterne das Universum gleichmäßig ausfüllen. Wenn jeder Stern nun eine bestimmte Leuchtkraft L hat, dann hängt die Energie f die uns auf der Erde von einem Stern erreicht von dessen Entfernung d ab. Und zwar quadratisch: je weiter der Stern entfernt ist, desto geringer ist auch die Energie, die ankommt – es gilt also

f = L/(4πd²)

Der Faktor 4π kommt daher, das ein Stern seine Energie nicht nur in Richtung der Erde abstrahlt sondern kugelförmig in alle Richtungen.

Denken wir uns nun eine Kugelschale voller Sterne, die die Erde in Abstand r umgibt. Nennen wir die Dicke der Schale h und gehen davon aus, das sich in einem Einheitsvolumen dieser Schale n Sterne befinden, dann ist die Gesamtzahl N der Sterne, die sich in der Kugelschale befinden n-mal das Kugelschalenvolumen. Also

N= 4 π r² h n

Die gesamte Strahlungsenergie F, die uns auf der Erde aus dieser Kugelschale voller Sterne erreicht ist also gleich f mal N oder

F=L n h

Das wichtige an diesem Ergebnis ist nun, das die gesamte Strahlungsenergie, die uns auf der Erde erreicht nicht von der Entfernung abhängt! Je weiter weg die Sterne sind, desto schwächer ist auch die Energie die uns erreicht; gleichzeitig steigt aber auch die Anzahl der Sterne, je weiter wir uns von der Erde entfernen. Diese beiden Effekte gleichen sich gegenseitig aus. Von den nahen Kugelschalen voller Sterne erhalten wir also genausoviel Licht wie von den weit entfernten! Wenn es also wirklich unendlich viel, gleich verteilte Sterne im Universum gibt, dann müsste der Himmel tatsächlich taghell sein!

Die Rechnung ist richtig – wir wissen aber, das der Nachthimmel nicht dunkel ist. Irgendetwas muss also mit den ursprünglichen Annahmen nicht stimmen. Aus heutiger Sicht ist die Lösung relativ leicht – aber 1826 (bzw. früher – denn dieses Paradoxon war auch schon vor Olbers bekannt) war die ganze Angelegenheit etwas komplizierter. Ich habe schon an anderer Stelle erklärt, das es relativ lange gedauert hatte, bis man sich über die generelle Struktur unseres Universums im Klaren war. Erst um 1920 herum fand man langsam heraus, das sich die Sterne in Galaxien anordnen. Und erst Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts konnte man vernünftige Theorien über die Entstehung und die Entwicklung unseres Universums aufstellen.

Was sind also aus heutiger Sicht die Gründe dafür, das der Nachthimmel dunkel ist? Einer der wichtigsten Gründe ist die endliche Lebensdauer der Sterne. Früher dachte man, Sterne wären wie das Universum ewig und unveränderlich. Heute wissen wir das Sterne – wie alles andere – entstehen und vergehen. Die allerersten Sternen, die in unserem Universum entstanden sind, sind heute längst schon wieder verloschen – die Annahme das unser Blick immer irgendwo am Himmel auf einen Stern trifft ist also nicht haltbar! Ausserdem wissen wir heute, dass auch das Universum nicht unendlich alt ist sondern irgendwann in der Vergangenheit entstanden ist. Licht bewegt sich schnell – aber mit endlicher Geschwindigkeit. Es kann also sein, das es Lichtquellen im Universum gibt, die so weit entfernt sind das uns ihr Licht bis heute noch nicht erreicht hat. Schließlich weiß man heute auch, dass sich das Universum ausdehnt. Die elektromagnetische Strahlung, die uns von bewegten Quellen erreicht, ist zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben. Wir können nur einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums sehen. Verschiebt sich die Frequenz der Strahlung eines Sterns so weit, das sie ausserhalb des sichtbaren Bereichs fällt, dann kann sie vom menschlichen Auge auch nicht mehr gesehen werden. Die Tatsache, das sich unser Universum ausdehnt führt also einerseits dazu, dass das Licht weit entfernter Sterne so stark verschoben ist, das wir es nicht mehr sehen können. Andererseits begrenzt die Ausdehnung des Universums auch die größe des von uns beobachtbaren Bereichs (und damit die Anzahl der Sterne, die wir sehen können).

Allein die Beobachtung, das es in der Nacht dunkel und am Tag hell ist, ermöglicht es uns also folgenden Aussagen über unser Universum zu treffen:

• Das Universum ist nicht unendlich alt sondern entstand irgendwann in der Vergangenheit
• Das Universum dehnt sich aus.
• Sterne leben nicht ewig sondern entstehen und vergehen.

Das sind doch ziemlich fundamentale Aussagen, verglichen mit der Einfachheit der zugrunde liegenden Beobachtung! Und wieder einmal ein gutes Beispiel, welche faszinierenden Dinge man mit Hilfe der Astronomie herausfinden kann!