Um 1945: Der Astronom Dr. Edwin Powell Hubble sitzt in einem Stuhl am Schreibtisch und liest eine Zeitschrift. Als Mitarbeiter des Mt. Wilson Observatoriums war er der erste Wissenschaftler, der durch seine Beobachtungen die Theorie der Ausdehnung des Universums belegte, die heute als Hubble’s Law bekannt ist. (Bildnachweis: New York Times Co./Getty Images)
Wenn wir 101 Jahre zurückgehen könnten, würden wir auf eine Zeit stoßen, in der Wissenschaftler noch glaubten, die Milchstraße sei die Gesamtheit unseres Universums. Aber wenn wir stattdessen 100 Jahre zurückgehen, werden wir feststellen, dass die meisten Wissenschaftler sich einig sind, dass dies nicht stimmt. Irgendwann in der Zwischenzeit erkannten die Menschen, dass das Universum viel größer ist als unsere Milchstraße – dass die durch Teleskope sichtbaren Spiralnebel in Wirklichkeit andere Galaxien sind, die für sich stehen. Das Ausmaß des Kosmos hatte sich praktisch über Nacht dramatisch erweitert.
Den historischen Aufzeichnungen zufolge haben wir dies einem Mann zu verdanken: Edwin Hubble. Das ist sicherlich zum Teil wahr, aber er hätte es nicht ohne das Genie der anderen um ihn herum geschafft, die ihm den Weg für seine Entdeckung geebnet haben.
„Es ist leicht, Hubble und seine Entdeckung des Universums jenseits der Milchstraße zu romantisieren, aber seine Arbeit stand wirklich auf den Schultern einer Reihe von Menschen“, sagte Jeff Rich, Astronom an den Carnegie Science Observatories, in einer Pressekonferenz auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in Maryland.
Dass Rich die Geschichte von Edwin Hubble auf der AAS-Tagung im Januar 2025 vorstellte, war symbolisch, denn auf der 33. Tagung der AAS, die vor einem Jahrhundert am 1. Januar 1925 in Washington, D.C. stattfand, wurde Hubbles Arbeit zum ersten Mal offiziell vorgestellt.
Rich beschreibt die Entdeckung des Universums jenseits der Milchstraße als eine Offenbarung, die Jahrhunderte auf sich warten ließ, und erörtert, wie unser Verständnis unseres Platzes im Kosmos im Laufe der Zeit mit neuen Entdeckungen zusammenwuchs. Die beiden Menschen, auf deren Schultern Hubble am meisten stand, waren jedoch Henrietta Swan Leavitt und Harlow Shapley.
Die wichtigsten Sterne im Universum
Leavitt arbeitete am Harvard College Observatory als „Computer“, der die von den Harvard-Teleskopen aufgenommenen fotografischen Platten analysierte. Insbesondere untersuchte Leavitt Bilder der Kleinen und Großen Magellanschen Wolke und identifizierte darin 1.800 veränderliche Sterne. In zwei Abhandlungen, die Leavitt 1908 und 1912 verfasste, konnte sie feststellen, dass viele dieser veränderlichen Sterne ein ausgeprägtes Verhältnis zwischen Periode und Helligkeit aufwiesen. Mit anderen Worten, sie erkannte, dass die Zeit, die die Sterne brauchten, um regelmäßig zu pulsieren und heller und schwächer zu erscheinen, während sie sich zusammenzogen und ausdehnten, davon abhing, wie leuchtkräftig sie waren.
Dies war eine wichtige Entdeckung. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine dieser Variablen gefunden, die später Cepheiden-Variablen genannt wurden. Man wüsste zwar nicht, wie weit er entfernt ist, aber man könnte anhand der Periode der Cepheidenschwankung berechnen, wie hell der Cepheid selbst ist. Um herauszufinden, wie weit der Stern entfernt ist, müsste man dann nur noch seine tatsächliche Leuchtkraft mit seiner Schwäche am Nachthimmel vergleichen. Noch heute ist die Leavitt’sche Perioden-Leuchtkraft-Relation ein Schlüsselkonzept, das Wissenschaftler bei der Messung von Entfernungen im Kosmos verwenden.
Angesichts der Tatsache, dass Harlow Shapley die Geschichte von Hubble mitbegründet hat, ist es ironisch, dass er nicht glaubte, dass es jenseits der Milchstraße etwas gibt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Teleskope nicht stark genug, um einzelne Sterne in anderen Galaxien aufzulösen, so dass Spiralgalaxien eher wie spiralförmige Flecken erschienen und als Spiralnebel bezeichnet wurden. Shapley vermutete, dass es sich bei den Spiralnebeln einfach um Sterne handelt, die sich am Rande der Milchstraße bilden.
Shapleys Ziel war es, die Größe der Milchstraße – und damit des Universums, wie er es sah – zu messen, indem er die erste offizielle kosmische Entfernungsleiter erstellte. Die Cepheiden-Variablen, die er in unserer Galaxie identifizierte, bildeten die erste Sprosse. Als Nächstes folgten die RR-Lyrae-Sterne, eine andere Art von veränderlichen Sternen mit einem ähnlichen Verhältnis zwischen Periode und Leuchtkraft wie die Cepheiden, deren Entfernungen durch Vergleich mit den Cepheiden-Variablen kalibriert werden konnten. Schließlich nutzte er die RR-Lyrae-Veränderlichen, um die Entfernung zu gewöhnlichen massereichen, leuchtkräftigen Sternen am Rande der Milchstraße zu kalibrieren.
Shapley ermittelte, dass die Milchstraße einen Durchmesser von 300.000 Lichtjahren hat und dass unser Sonnensystem 50.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt ist. Während wir heute wissen, dass die genaueren Werte 100.000 Lichtjahre bzw. 26.000 Lichtjahre betragen, war Shapleys Ergebnis die erste Verwendung einer kosmischen Entfernungsleiter. Shapley nahm sogar an der „Großen Debatte“ mit seinem Kollegen Heber Curtis teil, die im April 1920 in der National Academy of Sciences in Washington D.C. stattfand und bei der die Natur der Spiralnebel diskutiert wurde. Curtis vertrat die Ansicht, dass es sich bei den Spiralnebeln um eigenständige Galaxien handele, die Milchstraße jedoch nur einen Durchmesser von 10.000 Lichtjahren habe. Shapley vertrat das Gegenteil.
Hubble mischt sich ein
Edwin Hubble trat 1919 dem Team des Mount Wilson Observatory in Kalifornien bei, nur zwei Jahre nachdem das Hooker-Teleskop des Observatoriums, das damals das größte Teleskop der Welt war, das Licht der Welt erblickt hatte.
„[Hubbles] Durchbruch wurde durch das 100-Zoll-Hooker-Teleskop am Mount Wilson ermöglicht“, so Rich. „Hubble konnte seine Entdeckung machen, weil er Zugang zu dieser hochmodernen Technologie hatte.“
Das Hooker-Teleskop war die Idee des Direktors des Observatoriums, George Ellery Hale, und wurde dank einer großzügigen Spende des kalifornischen Philanthropen John Hooker in Höhe von 45.000 Dollar entwickelt, um u. a. das Rätsel der Spiralnebel zu lösen.
Bevor wir fortfahren, sollten wir noch eine weitere wichtige Figur in dieser Geschichte erwähnen: Milton Humason. Ursprünglich als „Maultiertreiber“ angestellt, der Baumaterialien und Ausrüstung auf den Mount Wilson brachte, während das Observatorium noch im Bau war, wurde er später zum Hausmeister des Observatoriums und dann zum Assistenten der Astronomen, die es benutzten. Humason und Hubble wurden am Teleskop fast unzertrennlich, und Humason machte trotz seines fehlenden Doktortitels viele eigene astronomische Entdeckungen und verdient einen großen Teil der Anerkennung, die Hubble zuteil wird.
Nachdem die Weichen gestellt waren, machten sich Hubble und Humason an die Arbeit und beobachteten Spiralnebel mit dem Hooker-Teleskop. Im Jahr 1923 gelang es ihnen, ein Bild des Andromeda-Spiralnebels, Messier 31, aufzunehmen, das in der Tat etwas ganz Besonderes enthüllte.
„Hubble war von diesem Bild so begeistert, dass er ‚VAR!‘ auf die schwarz-weiße Glasplatte schrieb, weil er den Beweis für einen Cepheiden-Veränderlichen gesehen hatte“, so Rich. Dieser veränderliche Cepheid-Stern wurde einfach als „V1“ bekannt. „Aufgrund der Arbeiten von Henrietta Leavitt und Harlow Shapley wusste er, dass dies bedeutete, dass er zum ersten Mal die Entfernung zu einem Spiralnebel messen konnte.
Und er hat sie gemessen. Er errechnete eine Entfernung von 930.000 Lichtjahren, was weniger als die Hälfte der tatsächlichen Entfernung von 2,5 Millionen Lichtjahren ist, aber trotz der Beschränkungen von Hubbles rudimentärer Berechnung (die kosmische Entfernungsleiter wird auch heute noch verfeinert) zeigte sie eindeutig, dass die Andromeda-Spirale jenseits der 300.000 Lichtjahre existierte, die Shapley für die Milchstraße gemessen hatte. Messier 31 war kein Spiralnebel. Es war eine Spiralgalaxie.
Hubble-Weltraumteleskop-Bilder von V1 (Inset), dem Cepheiden-Veränderlichen in der Andromeda-Spirale, der es Edwin Hubble ermöglichte, die Entfernung der Spirale zu messen und zu beweisen, dass sie und andere Spiralen „Inseluniversen“ mit eigenem Recht sind. (Bildnachweis: NASA/ESA/Hubble Heritage Project (STScI/AURA)/Robert Gendler)
Hubble schrieb an Shapley und informierte ihn über seine Entdeckung. Als Shapley seinen Brief las, kommentierte er: „Hier ist der Brief, der mein Universum zerstört hat.“
Hubble ließ die Nachricht von seiner Entdeckung im November 1924 der New York Times „durchsickern“, weshalb die Präsentation auf der AAS im darauffolgenden Januar, die eigentlich von dem Astronomen Henry Norris Russell und nicht von Hubble selbst gehalten wurde, nur die offizielle Enthüllung war – inoffiziell wussten die Menschen jedoch bereits davon.
Heute gehen wir davon aus, dass das Universum voller Galaxien ist, einige davon spiralförmig wie die Milchstraße und Andromeda, andere riesige elliptische Galaxien und wieder andere winzige Zwerge. Nach letzten Zählungen schätzt man, dass es im sichtbaren Universum bis zu 2 Billionen Galaxien gibt. Und doch, so Rich, ist Hubbles epochale Entdeckung eigentlich relativ neu.
„Hundert Jahre sind nicht so weit weg“, sagte er. In der Tat gibt es einige Menschen auf der Welt, die noch älter sind und in einer Zeit geboren wurden, als wir noch nicht wussten, dass es andere Galaxien gibt. „Dies ist wirklich eine Lektion darüber, wie sehr sich die Dinge verändert haben und wie schnell Entdeckungen auf uns zukommen können.“
Heutzutage ist die fotografische Platte, die die Cepheidenveränderung V1 mit dem von Hubble in die Ecke gekritzelten „VAR!“ festhält, ein kostbares Relikt der Entdeckung, das ein wissenschaftlicher Indiana Jones in tausend Jahren suchen könnte. Zum Glück muss man sich nicht auf eine so beschwerliche Reise begeben, um es zu finden. Die Platte, die normalerweise hinter Schloss und Riegel aufbewahrt wird, wurde zum Auslüften freigegeben und ist derzeit für einige Monate in der Ausstellung Mapping the Infinite: Cosmologies Across Cultures“ im Los Angeles County Museum ausgestellt.
Und Hubble blieb nicht dabei stehen. Sein späteres Stimmgabel-Diagramm der Galaxienformen ist nach wie vor ein klassisches Lehrmittel für Astronomen, und obwohl die Entwicklung der Galaxien, die die Stimmgabel abbildet, von hinten nach vorne verläuft, verwenden professionelle Astronomen immer noch die Stimmgabel-Nomenklatur der „frühen“ und „späten“ Galaxien.
Dann, im Jahr 1929, stellte Hubble fest, dass sich fast alle anderen Galaxien im Universum von uns wegbewegen, zum Teil auf der Grundlage von Rotverschiebungsmessungen des Astronomen Vesto Slipher und im Einklang mit der theoretischen Arbeit des belgischen Physikers und Priesters Georges Lemaître, der das so genannte Hubble-Lemaître-Gesetz ableitete, das die Expansion des Universums beschreibt.
Innerhalb von fünf Jahren waren wir von der Annahme, die Milchstraße sei alles, zur Entschlüsselung eines unendlichen, sich ausdehnenden Universums übergegangen. Das war ein ziemlicher Paradigmenwechsel, der auf Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 folgte und etwa zur gleichen Zeit stattfand, als die weltbesten Physiker unter der Leitung von Niels Bohr den Bereich der Quantenphysik erforschten – ein Grundstein für eine neue Ära der Wissenschaft, die unser heutiges Verständnis des Kosmos geprägt hat. Neue Rätsel wie die dunkle Materie, die dunkle Energie, die Suche nach einer Quantentheorie der Schwerkraft, die Hubble-Spannung und die Ursache des Urknalls geben den Physikern Rätsel auf, so dass jetzt ein guter Zeitpunkt für einen weiteren Wandel in der Wissenschaft wäre, ähnlich wie vor einem Jahrhundert.
