Ole Rømer, die Lichtgeschwindigkeit und das (zweit)größte Messgerät des Sonnensystems (Die spannendsten Experimente der Naturwissenschaft 03)

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über naturwissenschaftliche Experimente. Entsprechende Artikel werden hier im Blog bis Ende Juli erscheinen. Alle Artikel der Serie könnt ihr hier finden.
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Astronomie ist eine Naturwissenschaft. Aber eine, in der man selten Gelegenheit bekommt Experimente zu machen. Wie denn auch: Das Zeug ist viel zu weit weg; da kommt man nicht hin das kann man nur anschauen. Und wenn man das berücksichtigt, dann ist die Astronomie eine enorm beeindruckende Wissenschaft. Wir haben jede Menge über die Planeten, Sterne, Galaxien und den ganzen Rest rausgefunden; nur durch Anschauen! Aber manchmal kann man auch als Astronom ein Experiment machen. Und wenn, dann macht man natürlich eines, das mit den Fundamenten der Wissenschaft zu tun hat. Und das zweitgrößte Messgerät des gesamten Sonnensystems benutzt.

Ok, das war ein wenig übertrieben. Aber nur ein bisschen. Die Geschichte dieses Experiments spielt in den 1670er Jahren. Der dänische Astronom Ole Rømer arbeitete damals an der Sternwarte Paris. Und beobachtete den Jupitermond Io. Nicht nur aus Spaß an der Astronomie sondern aus ganz praktischen Gründen. Damals war man unter anderem dabei genaue Landkarten zu zeichnen. Und dafür braucht man genaue Positionsdaten. Besonders wenn es um die Bestimmung des Längengrades geht, ist das aber knifflig. Denn da gibt es keinen natürlichen Bezugspunkt wie den Äquator bei der Bestimmung des Breitengrades. Die geografische Breite kann man relativ leicht durch die Beobachtung der Sonne oder anderer Sterne bestimmen. Je näher am Äquator desto höher kann die Sonne am Himmel stehen (vereinfacht gesagt, die genaue Bestimmung ist ein bisschen komplexer). Beim Längengrad muss man sich erst mal auf einen Bezugspunkt einigen. Heute ist das der „Nullmeridian“ der durch die Sternwarte Greenwich in London verläuft. Und dann muss man in der Lage sein, Zeit messen zu können. Wenn ich zum Beispiel in Wien sitze und meine geografische Länge bestimmen will, fange ich damit an, die lokale Uhrzeit zu messen. Das geht einfach: Wenn die Sonne ihren höchsten Stand am Himmel erreicht hat, ist es 12 Uhr Mittags. Dann muss ich aber auch noch wissen, wie spät es in Greenwich ist, wenn meine lokale Uhr die Mittagsstunde anzeigt. Denn die Erde dreht sich ja von Westen nach Osten. Wenn die Sonne in Wien aufgeht ist es im westlich von Wien gelegenen Greenwich noch dunkel; die Erde muss sich noch ein bisschen weiterdrehen bis es auch dort hell wird. Gleiches gilt für den Mittag. Wenn es in Wien Mittag ist, ist es in Greenwich noch Vormittag. Kenne ich den genauen Unterschied in der lokalen Uhrzeit kann ich daraus berechnen, wie weit ich in Ost/Westlicher Richtung von Greenwich entfernt bin.

Heute könnte ich einfach dort anrufen und fragen wie spät es ist. Oder im Internet nachschauen. Damals ging das nicht. Da brauchte man ein Ereignis am Himmel das sowohl von Wien als auch in Greenwich sichtbar ist. Und vor allem: Ein Ereignis dessen Auftreten man vorhersagen kann. Zum Beispiel eine Sonnenfinsternis: Da kann man berechnen, wann die nach der lokalen Greenwichzeit stattfinden soll und vergleiche das mit der lokalen Zeit zu der ich die Finsternis an meinem Beobachtungsort sehen kann. Nur gibt es Sonnenfinsternisse nicht so oft wie es nötig wäre um vernünftige Kartografie zu betreiben. Was es aber sehr viel öfter gibt sind Jupitermondfinsternisse. Io ist der innerste der vier großen Jupitermonde und schon mit kleinen Teleskopen von der Erde aus gut sichtbar. Für eine Runde um Jupiter braucht Io nur einen Tag und 18,5 Stunden. Und bei jedem Umlauf bewegt er sich durch den Schatten, den der größte Planet des Sonnensystems wirft. Was nichts anderes heißt als: Von der Erde aus gesehen wir Io alle paar Tage dunkel und diese Verfinsterungen lassen sich vorhersagen. Perfekt für die Bestimmung des geografischen Längengrads.

Das hat alles noch nichts mit den eingangs versprochenen Fundamenten der Wissenschaft zu tun. Entsprechende Tabellen zu Jupitermondverfinsterungen gab es auch schon vor Ole Rømer. Der aber (gemeinsam mit seinem Pariser Chef Giovanni Domenico Cassini) fest, dass die nicht ganz stimmten. Und es war Ole Rømer der diesem Problem auf dem Grund ging. Die Vermutung: Die Erde bewegt sich um die Sonne und dadurch ändert sich im Laufe eines Jahres auch ihr Abstand zum Jupiter. Und wenn Licht sich nicht unendlich schnell ausbreiten sollte, dann braucht es mal länger und mal kürzer um uns von dort zu erreichen. Und jetzt sind wir bei den Fundamenten! Denn damals war noch nicht klar, wie schnell das Licht ist. Es war noch nicht mal klar, ob es überhaupt eine endliche Geschwindigkeit hat oder vielleicht doch unendlich schnell unterwegs ist. Ole Rømer war überzeugt dass das nicht der Fall ist. Und sagte für den November 1676 eine „Verspätung“ der Io-Finsternis um 10 Minuten vorher. Was auch genau so passierte.

Rømer wies nach, das Licht eine Geschwindigkeit hat. Er hat diese Geschwindigkeit nicht gemessen, auch wenn das oft so erzählt wird (er hat nur eine Obergrenze für die Lichtgeschwindigkeit abgeschätzt). Die Messung der Lichtgeschwindigkeit erfolgte später; durch andere Forscher mit anderen beeindruckenden Experimenten. Aber auch die Erkenntnis dass Licht NICHT unendlich schnell ist, ist beeindruckend genug. Erstens wurde damit eine Frage geklärt, über die man schon im antiken Griechenland spekuliert hatte. Und zweites darf man nicht vergessen was daraus folgt. Licht braucht Zeit um von A nach B zu kommen. Und im Weltall liegen A und B im Allgemeinen enorm weit auseinander. Wenn die Verfinsterung von Io 10 Minuten zu spät stattfindet, dann hat das Licht ganze 10 Minuten gebraucht, um den zusätzlichen Weg der durch die Bewegung der Erde entstanden ist, zurück zu legen. Und noch länger, um den ganzen Rest des Wegs von Jupiter bis zu uns zu schaffen. Das Bild von Jupiter und Io stammt also aus der Vergangenheit! Ich finde diese Erkenntnis immer wieder erstaunlich, egal wie oft man es hört: Wenn wir hinaus ins Universum blicken, dann blicken wir auch immer in die Vergangenheit!

Genau das macht die Astronomie so beeindruckend. Ja, wir können nur schauen und ganz selten experimentieren. Aber wir schauen besser als alle anderen! Wir schauen nicht nur hinaus und in die Dinge hinein. Wir schauen auch durch die Zeit! Als das wissen wir seit Ole Rømer den Schatten des größten Planeten (und das Licht des größten Sterns) im Sonnensystem als Messinstrument genutzt hat. Wenn die Astronomie Experimente macht, dann ordentlich!