Spektroskopie: ein Schlüssel zur Analyse der unsichtbaren Welt

Die wichtigsten Phasen der Spektroskopie im Laufe der Geschichte

DortSichtbares LichtVon Infrarot bis Ultraviolett handelt es sich nur um einen kleinen Schwingungsbereich im elektromagnetischen Spektrum, der jedoch von besonderer Bedeutung ist, da es sich um die Hauptinformationen handelt, die von unseren Augen über unsere Umwelt übertragen werden.

Joseph von Fraunhofer(1787-1826) war 1814 der Erste, der im sichtbaren Licht des Sonnenspektrums die sogenannten Fraunhofer-Linien bemerkte. Dieser deutsche Optiker und Physiker erfand 1815 das Spektroskop und untersuchte als erster die Lichtbeugung mithilfe optischer Gitter (Fraunhofer-Beugung).

Derzeit kennen wir den Grund für das Vorhandensein dieser Fraunhofer-Linien im sichtbaren Lichtspektrum nicht. Das geschah erst viel später im Jahr 1860Robert Wilhelm Bunsen(1811-1899) undGustav Robert Kirchhoff(1824-1887) entdeckte, dass die Spektrallinien des von einem glühenden Körper emittierten Lichts eine Signatur darstellen, die die Identifizierung dieses Körpers ermöglicht. Durch die Beobachtung des Spektrums des Sonnenlichts erkennen sie mehrere auf der Erde vorkommende chemische Elemente, darunter Cäsium und Rubidium. Die Sonne enthält daher dieselben chemischen Elemente wie die Erde, was eine Überraschung ist!

Die Geschichte des Lichts durchläuft eine Reihe bedeutender Phasen in der Physik:Christian Huygensund seine Wellentheorie im Jahr 1678, das Experiment vonJungim Jahr 1801 die Strahlen vonFraunhoferim Jahr 1814 die Beugung vonFresnelim Jahr 1815 (Beschreibung der Wellennatur des Lichts), das Sonnenspektrum vonBunsen und Kirchhoffim Jahr 1850 wurde der Elektromagnetismus vonMaxwellim Jahr 1864, die unbekannte gelbe Linie von Helium im Jahr 1895, bisMax Planck(1900) undAlbert Einstein(1905) für die korpuskulare Natur des Lichts.

Spektroskopie, ein wesentliches Werkzeug zur Entschlüsselung des Universums

Die Spektroskopie offenbart uns die Natur des Universums, indem sie eine Vielzahl unerwarteter Informationen liefert, die oft weit über unsere Erwartungen hinausgehen. Durch die Beobachtung der Farbe – einer einfachen Eigenschaft des Lichts – erhalten wir wertvolle Daten. Beispielsweise stehen blaue Sterne, die jung und extrem heiß sind, im Gegensatz zu roten Sternen, die älter, weniger massereich und weniger heiß sind. Dieses Prinzip gilt auch für Galaxien, deren dominanter Farbton (blau oder rot) eine Abschätzung ihres Alters ermöglicht.

Das elektromagnetische Spektrum, eine Fundgrube an Informationen

Bei der Spektroskopie wird das Spektrum des sichtbaren oder nicht sichtbaren Lichts analysiert, das alle Arten von Strahlung abdeckt, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Wenn wir das von einem Himmelsobjekt kommende Licht zerlegen, beobachten wir Emissionslinien (farbige Streifen auf schwarzem Hintergrund) und Absorptionslinien (dunkle Linien auf farbigem Hintergrund). Diese Linien spiegeln die Energieniveaus der vom Licht durchstrahlten Atome wider und offenbaren so deren chemische Zusammensetzung.

Von der Komposition bis zur Dynamik der Sterne

Durch die Untersuchung der Dicke dieser Linien bestimmen Wissenschaftler die Häufigkeit der Elemente: Je ausgeprägter eine Linie, desto mehr Elemente sind in großen Mengen vorhanden. Die Spektroskopie ermöglicht es auch, die Bewegung von Himmelsobjekten mithilfe des Doppler-Fizeau-Effekts (1842) zu messen.

Mithilfe dieser Techniken können Astronomen die chemische Zusammensetzung, Dynamik und sogar Struktur so unterschiedlicher Objekte wie Sterne, Galaxien, Quasare oder interstellare Wolken rekonstruieren. Die Spektroskopie ist somit ein offenes Fenster zur Intimität des Universums.

Spektroskopie: ein Schlüssel zur Entschlüsselung des Universums

Wenn weißes Licht ein chemisches Element durchdringt, absorbiert es bestimmte Wellenlängen und zeigt schwarze Linien im Beugungsspektrum. Diese für die Elemente charakteristischen Absorptionslinien dienen als chemische Signatur. Indem wir also das weiße Licht analysieren, das von einem Stern ausgeht, nachdem er die Ionen in seiner Atmosphäre passiert hat, können wir seine chemische Zusammensetzung bestimmen.

Bemerkenswerte Tatsache: Die Absorptionslinien eines Elements entsprechen genau seinen Emissionslinien (wie am Beispiel von Lithium im Bild gezeigt). Mit anderen Worten: Ein Element absorbiert die gleiche Strahlung, die es aussenden kann, und zwar mit identischen Wellenlängen.

Anwendungen der Spektroskopie

Rotation von Galaxien: Durch die Messung der spektralen Verschiebungen von Sternen rekonstruieren wir die Rotationskurve von Galaxien. Entgegen den Erwartungen bewegen sich die Sterne am Rande genauso schnell wie die im Zentrum, was auf die Anwesenheit dunkler Materie schließen lässt.

Gammaausbrüche: Diese kurzen Gammastrahlungsblitze (einige Sekunden) hinterlassen ein schwaches sichtbares Leuchten. Ihr Spektrum offenbart die Zusammensetzung entfernter Sterne und bietet einen Einblick in das junge Universum. Dadurch wissen wir, dass physikalische Gesetze und chemische Elemente im gesamten beobachtbaren Universum einheitlich sind.

Fossile Strahlung: Spektroskopie hat bestätigt, dass ihre Temperatur 2,7 K beträgt, was beweist, dass das Universum in der Vergangenheit heißer war.

Schließlich ist diese Technik nicht auf das Sichtbare beschränkt: Sie reicht von Radiowellen (niedrige Energie) bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen (hohe Energie) und ist damit ein universelles Werkzeug zur Erforschung des Kosmos.