Wie groß ist groß? – Eine Frage des Maßstabs

Bild: Andrew Pontzen and Fabio Governato

Das Universum ist faszinierend. Für mich besonders durch die unglaublichen Abstände und Größen seiner Objekte. Diese lassen einen bescheiden werden.

Blickt man während eines Fluges aus dem Fenster kann man die Erdoberfläche ungefähr zehn Kilometer unter sich erkennen. Wenn man Glück hat und es ist nicht bewölkt, so entdeckt man vielleicht größere Strukturen wie Städte und natürlich Berge oder Flüsse. Im Landeanflug erkennt man dann schon mehr, irgendwann auch Autos und Personen.

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Die Erdoberfläche aus einigen Kilometern Höhe.

Verglichen mit der Länge des eigentlichen Flugs, der auch leicht tausende von Kilometern an Entfernung überbrücken kann, ist die Flughöhe allerdings nichts. Eine wirkliche Vorstellung haben wir aber eigentlich schon nicht von diesen Größen. Wie sieht es dann erst mit kosmischen Größen aus?

Sonnensystem


Stellt man sich das Sonnensystem so vor, dass die Sonne einen Durchmesser wie ein typischer Medizinball hat (also 26 cm), dann ist die Erde gerade einmal 2,3 mm groß, also etwas so groß wie ein Stecknadelkopf. Ihre Entfernung zur Sonne beträgt knapp 28 m, also gut sechs Autolängen. Und trotzdem ist die Erde an die Sonne durch Schwerkraft gebunden. Der Mond wäre in diesem Maßstab 5,5 mm von der Erde entfernt und 0,6 mm groß. Also ein Sandkorn. Der größte bekannte Stern, UY Scuti, hat übrigens in diesem Maßstab einen Durchmesser von 444 m, also wie ein großer Ölfrachter.

Die Entfernung zwischen Erde und Sonne ist die schon oft erwähnte Astronomische Einheit (tatsächlich 149,6 Millionen Kilometer) und ein Standardmaß für die Entfernungen im Sonnensystem.

Der kleinste Planet des Sonnensystems wäre in diesem Maßstab gerade einmal einen knappen Millimeter groß. Merkurs Entfernung betrüge knapp 11 Meter. Danach folgt die Venus mit einer Größe, die ziemlich gleich der Erde ist, aber einer Entfernung von 20 m. Hinter der Erde würde der Mars folgen. Er hätte einen Durchmesser von 1,2 mm und wäre 42 m von der Sonne entfernt.

Dahinter folgt der größte Planet unseres Sonnensystems, der Gasriese Jupiter. Er hätte einen Durchmesser von 2,3 cm und wäre insgesamt 144 m von der Sonne entfernt, also ungefähr anderthalb Fußballfelder lang.

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Jupiter aufgenommen durch mein Teleskop.

Saturn wäre der nächste Planet und nicht wesentlich kleiner als Jupiter. Mit 2,2 cm für seinen Durchmesser und 266 m für den Abstand. Der Abstand zwischen Sonne und Saturn ist also ungefähr 1000 mal so groß wie der Durchmesser der Sonne, bzw. zweieinhalb mal so lang wie ein Fußballfeld. Seine Ringe erstrecken sich auf einen Durchmesser von fast 18 cm.

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Ein Blick von Saturn auf die Erde, aufgenommen von der Raumsonde Cassini. Bild: NASA

An vorletzter Stelle folgt dann Uranus, ein sogenannter Eisriese, da er einen Kern aus Eis besitzt. Er ist in diesem Maßstab 544 m von der Sonne entfernt. Um vom Medizinball zu dieser Murmel von knapp einem Zentimeter zu Fuß zu gehen, bräuchte man also schon ungefähr 6 Minuten.

Den Abschluss macht schließlich Neptun mit einer Entfernung von 835 m. Er hat nahezu die gleiche Größe wie Uranus. Das Licht der Sonne benötigt ca. vier Stunden, um diesen Planeten zu erreichen.

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Neptun aufgenommen von Voyager 2. Bild: NASA

Hinter Neptun kommt lange Zeit nichts. Der Zwergplanet Pluto ist ungefähr 1,100 m, also ungefähr 10 Gehminuten, entfernt und hat eine Größe von 0,4 mm. Er ist bereits Teil des Kuipergürtels, einem Gebilde von vielen Kleinkörpern, die als Gürtel das Sonnensystem umschließen. Der Kuipergürtel erstreckt sich bis zwei Kilometer in dem hier verwendeten Maßstab und enthält mehrere hunderttausend Objekte.

Das ausströmende Gas der Sonne bildet um das Sonnensystem herum einen Bereich, der ungefähr einen Durchmesser von vier Kilometern hat. Die Sonde Voyager 1 hat diesen inzwischen verlassen – nach 35 Jahren Flugzeit. Wenn man bedenkt, dass die Sonne in unserem Modell nur 26 cm Durchmesser hat, ihr Gas und Magnetfeld aber Auswirkungen auf einen Bereich haben, der vier Kilometer entfernt ist, dann bekommt man einen Eindruck davon, wie energiereich sie tatsächlich ist.

Noch weiter entfernt beginnt schließlich vermutlich die Oort’sche Wolke. Dieses bisher nur hypothetische Gebilde wird im äußeren Bereich des Sonnensystems vermutet. Durch die große Entfernung und die geringe Größe der Objekte, die die Wolke ausmachen, ist sie aber nicht sichtbar. Man geht davon aus, dass diese Überbleibsel aus der Entstehungszeit des Sonnensystems sich bis zu einer Entfernung von 100.000 Astronomischen Einheiten ausdehnen und aus mehreren Milliarden Kleinkörpern bestehen. Manche Kometen haben ihren Ursprung wahrscheinlich in diesem weit entfernten Gebiet. In unserem Maßstab wäre es 2800 km entfernt, ungefähr die doppelte Distanz zwischen München und Madrid. Das ist schon eine Entfernung von 1,6 Lichtjahren. Licht von der Sonne braucht also 1,6 Jahre um sie zu erreichen.

In diesem Maßstab ist der nächste Stern knapp 7500 km entfernt, beinahe so weit wie von Hamburg nach Miami. Das sind schon sehr große Entfernungen, aber in astronomischen Maßstäben ist das noch nichts.

Milchstraße und darüber hinaus


Wenn wir nun den Maßstab anpassen und für den Durchmesser des Sonnensystems eine Murmel von 1,6 mm annehmen (also ein Millimeter pro Lichtjahr), dann ist der nächste Stern 4,3 mm von unserer Sonne entfernt. Der zuvor erwähnte größte Stern hat dann eine Entfernung von 5 m.  Unsere Heimatgalaxie hätte einen Durchmesser von 200 m. Von „oben“ auf die Scheibe blickend, die ungefähr 3 m dick ist, während das Zentrum bis zu 16 m aufweist, würde man pro Quadratzentimeter, also ungefähr der Größe einer Briefmarke, über 600 Sterne zählen. Die Erde ist 30 m vom Zentrum der Milchstraße entfernt.

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Die Milchstraße von der Erde aus gesehen. BILD: ESO/ S. Brunier Creative Common License 4.0

Umgeben ist unsere Galaxis von verschiedenen Zwerggalaxien u.a. den magellanschen Wolken, die 170 und 200 m entfernt sind. Insgesamt hat die Milchstraße mehr als 50 galaktische Begleiter. Die nächste große Galaxis ist die Andromeda-Galaxie und 2,5 km entfernt. Sie ist ungefähr gleich groß und in ein paar Milliarden Jahren wird die Milchstraße mit Andromeda zu einer gewaltigen Galaxie verschmelzen.

Diese Galaxien zusammen bilden mit einigen Dutzend kleineren Galaxien die sogenannte lokale Gruppe, die einen Durchmesser von 8 Millionen Lichtjahren hat, also in unserem Maßstab von 8 km. Die lokale Gruppe bildet einen sogenannten Galaxienhaufen, d.h. Galaxien, die sich gegenseitig maßgeblich durch ihre Schwerkraft beeinflussen.

Darüber hinaus ordnet man solche Galaxienhaufen in sogenannte Superhaufen. Die Milchstraße gehört zum Superhaufen Laniakea, von dem ich schon einmal berichtet habe. Er hat einen Durchmesser von 520 Millionen Lichtjahren, also in unserem Maßstab von 520 km. Insgesamt befinden sich 100.000 Galaxien in dem Superhaufen, welche jeweils viele Milliarden Sterne enthalten. Wenn also unser Sonnensystem 1,6 mm groß ist, dann ist dieser Superhaufen 520 km im Durchmesser. Das macht uns schon sehr klein.

Wie im Titelbild zu sehen, ordnen sich solche Superhaufen wiederum in sogenannte Mauern an, die von sogenannten Voids, also Leerräumen, getrennt werden. Diese Voids haben Ausdehnungen von mehreren hundert Kilometern in unserem Maßstab. Die Materie sammelt sich in Bändern, die sich bis auf die sogenannten Mauern ausdehnen können, durchziehen schließlich das gesamte beobachtbare Universum. Da sich das Universum beständig ausdehnt, ist die Größe des beobachtbaren Universums nicht einfach das Alter mal der Lichtgeschwindigkeit. In der Zeit, die das Licht braucht, um uns zu erreichen, hat sich der Raum ja weiter ausgedehnt. Insgesamt hat das beobachtbare Universum eine Ausdehnung von fast 50 Milliarden Lichtjahren, also für uns 50.000 km. So ist das beobachtbare Universum ungefähr 250.000 mal so groß wie unsere Milchstraße. Alles hinter dieser Grenze ist für uns niemals sichtbar.

Messmethoden


Wie aber misst man nun solche Entfernungen? Schließlich kann man ja nicht mit einem Maßband hingehen. Die Methoden sind unterschiedlich je nachdem welche Entfernungen und Objekte man betrachtet.

Für Sterne bis zu 150 Lichtjahren verwendet man Parallax-Methoden. Dabei nutzt man die Tatsache, dass von verschiedenen Positionen aus, die Richtung eines Objekts, das man beobachtet, ebenfalls unterschiedlich ist. Daraus lässt sich die Entfernung bestimmen.

paralax
Prinzip der Parallaxe (nicht maßstäblich).

In der Entfernung d befindet sich der Stern, den man beobachtet. Blickt man nun von einer Position auf der Erdumlaufbahn auf diesen Stern und dann von der gegenüberliegenden Seite, so kennt man den Abstand der beiden Beobachtungspositionen – nämlich der Durchmesser der Erdbahn. Außerdem kann man den Winkel zwischen den beiden beobachteten Positionen des Sterns an der scheinbaren Himmelskugel feststellen und den Winkel zwischen diesen Positionen bestimmen. Daraus lässt sich dann die Entfernung d berechnen:

a/d = tan p => d = a/tan p

Das kann man leicht ausprobieren. Einfach den Arm ausstrecken und den Daumen aufstellen. Dann schaut man mit einem Auge auf den Daumen (und schließt das andere) und richtet ihn auf einen markanten Punkt im Hintergrund aus, z.B. ein Stuhlbein. Öffnet man nun das andere Auge und schließt das erste, so scheint die Position des Daumens woanders zu sein. Er ist um die Parallaxe 2 p versetzt.

Für Objekte, die sehr weit entfernt sind, funktioniert das nicht mehr, weil die Winkel sehr klein werden. So klein, dass man sie nicht mehr messen kann. Für solche Entfernungen brauchen wir andere Messmethoden.

Dazu kann man z.B. Cepheiden verwenden. Dieser besondere Sternentyp hat zwei Besonderheiten. Erstens schwankt seine Helligkeit regelmäßig. Die Leuchtkraft wiederum ist eine Funktion von der Dauer dieser Schwankung. Kennt man also die Dauer der Schwankung – durch Beobachtung messbar – kann man sofort daraus die Leuchtkraft berechnen. Dann kann man sie mit der tatsächlichen Leuchtkraft, die man sieht, vergleichen und kennt dann die Entfernung, da für diese gilt:

d=10(m-M+5)/5

Hier kennzeichnen m die gemessene Helligkeit, M die tatsächliche und d wieder die Entfernung.

Diese Sterne lassen sich auch noch für Entfernungsmessungen in anderen Galaxien nutzen. Darüber hinaus verwendet man nur noch die Rotverschiebung als Indiz für die Entfernung. Dies ist ungenauer, aber die einzige Methode, die für diese Entfernungen noch funktioniert.

Insgesamt kann man sagen, dass das Universum gewaltig ist und zwar so groß, dass wir es niemals ganz sehen werden. Wir Menschen erscheinen dazu nicht einmal mehr winzig. Für das Universum sind wir nicht einmal ein Staubkorn.

 

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