Astronomie

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Einleitung

Astronomie, Wissenschaft, die sich mit Himmelskörpern beschäftigt. In erster Linie umfasst die Astronomie Planeten und deren Satelliten, Kometen und Meteore, Sterne und interstellare Materie, als Galaxien bezeichnete Sternsysteme und Galaxiengruppen.

Die moderne Astronomie teilt sich in mehrere Zweige: Die Astrometrie beschäftigt sich mit dem Studium der Position und der Bewegungen der Himmelskörper aufgrund von Beobachtungen. In der Astromechanik behandelt man die Bewegungen der Himmelskörper mit Hilfe der Gravitationstheorie und Mathematik. In der Astrophysik untersuchen Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung der Himmelskörper mit Hilfe von spektroskopischen Analysen (siehe Spektroskopie). Den physikalischen Phänomenen versuchen sie mit den Gesetzen der Physik auf die Spur zu kommen. Thema der Kosmologie ist die Erforschung des Universums als Ganzem.

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Ursprünge

Es war vermutlich nicht nur die Neugier alter Völker bezüglich Tag und Nacht und Sonne, Mond und Sternen, die zu der Beobachtung der Himmelsphänomene führte. Der Ursprung der Astronomie lag wohl eher in der Notwendigkeit, genau die Zeitpunkte für die Saat und die Ernte zu bestimmen sowie Richtungen und Standorte auf langen Reisen festzustellen. Siehe Archäoastronomie

Den alten Völkern zeigte der Himmel viele regelmäßige Erscheinungen. Die helle Sonne, die den Tag von der Nacht trennte, ging jeden Morgen im Osten auf, bewegte sich während des Tages über den Himmel und ging im Westen, in der beinahe entgegengesetzten Richtung, wieder unter. Nachts waren Tausende von Sternen zu sehen. Wie die Sonne bewegten auch sie sich auf regelmäßigen Bahnen. Dauerhafte Sterngruppen schienen um einen festen Punkt am Himmel, den nördlichen Himmelspol, zu rotieren. Diese Gruppierungen nannte man Sternbilder. Die bislang älteste Darstellung eines Sternbildes befindet sich möglicherweise auf einem Stück Mammutstoßzahn, das bereits 1979 auf der Schwäbischen Alb gefunden und auf ein Alter von 32 500 Jahren geschätzt wurde. Die Elfenbeinschnitzerei zeigt allem Anschein nach das Sternbild Orion. Die Interpretation ist unter Experten jedoch sehr umstritten.

In der nördlichen gemäßigten Zone bemerkten die Menschen, dass Tag und Nacht unterschiedlich lang waren. An langen Tagen ging die Sonne im Nordosten auf und stand mittags hoch am Himmel. An den Tagen mit langen Nächten ging die Sonne im Südosten auf und stieg nicht so hoch. Beobachtungen von Sternen, die nach Sonnenuntergang im Westen oder vor Sonnenaufgang im Osten zu sehen sind, zeigten, dass sich die Position der Sonne zu den Sternen allmählich ändert. Wahrscheinlich entdeckten zuerst die Ägypter, dass sich die Sonne in ungefähr 365 Tagen und Nächten vollständig um die Kugel mit den Fixsternen dreht. Siehe Ekliptik

Weiteren Untersuchungen zufolge bewegten sich Sonne, Mond und fünf helle Planeten auf einer engen Bahn namens Tierkreis über die Sternenkuppel. Der Mond durchquert den Tierkreis schnell und überholt dabei die Sonne alle 29,5 Tage. Dieser Zeitraum wird synodischer Monat genannt. Sternbeobachter in alten Zeiten versuchten, die Tage und Monate oder Jahre in ein zusammenhängendes Zeitsystem, den Kalender, zu bringen. Da weder ein vollständiger Monat noch ein vollständiges Jahr eine ganze Zahl von Tagen umfassen, ordneten die Verfasser von Kalendern den Monaten eine verschiedene Anzahl von Tagen zu. Im Durchschnitt entsprachen diese Daten auf lange Sicht fast den tatsächlichen Werten. So sieht der moderne Kalender 97 Schaltjahre in einem Zeitraum von 400 Jahren vor. Dadurch hat ein Jahr durchschnittlich 365,2425 Tage, was ziemlich genau dem astronomisch bestimmten Wert von 365,2422 entspricht.

Die Sonne und der Mond durchziehen den Tierkreis immer von Westen nach Osten. Im Gegensatz dazu bewegen sich die fünf hellen Planeten – Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn, die sich im Allgemeinen vor dem Hintergrund der Sterne auch nach Osten bewegen – unterschiedlich lange nach Westen oder rückläufig. So sieht es aus, als würden die Planeten ihren Kurs nach Osten unberechenbar gestalten und Schleifen auf ihrem Weg einlegen. Seit dem Altertum glaubten die Menschen, Ereignisse am Himmel, besonders die Bewegungen der Planeten, wären mit ihrem eigenen Schicksal verbunden. Dieser Glaube führte zur Astrologie und zur Entwicklung von mathematischen Schemata für die Vorausberechnung von Planetenbewegungen.

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Babylonische Astronomie

Interessante Sternkarten und nützliche Kalender wurden von verschiedenen Völkern des Altertums entwickelt. Die größten Errungenschaften erzielten jedoch die Babylonier. Um ihren Kalender zu vervollkommnen, erforschten sie Sonne und Mond. Als ersten Tag eines Monats bezeichneten sie den Tag nach dem Neumond, wenn der zunehmende Mond zum ersten Mal nach Sonnenuntergang erscheint. Ursprünglich wurde dieser Tag durch Beobachtung ermittelt, aber später wollten ihn die Babylonier vorausberechnen. Um 400 v. Chr. bemerkten sie die unregelmäßige Geschwindigkeit, mit der sich Sonne und Mond von Westen nach Osten über den Tierkreis bewegen. Diese Himmelskörper scheinen sich auf der Hälfte ihrer Bahn mit zunehmender Geschwindigkeit zu bewegen, bis sie eine bestimmte höchste Geschwindigkeit erreichen, um dann wieder langsamer zu werden und zur Ausgangsgeschwindigkeit zurückzukehren. Die Babylonier versuchten, diesen Zyklus arithmetisch darzustellen, indem sie z. B. dem Mond zwei verschiedene Geschwindigkeiten zuordneten: eine feste Geschwindigkeit für die erste Hälfte des Zyklus und eine andere feste Geschwindigkeit für die andere Hälfte. Später verfeinerten sie die mathematische Methode, indem sie die Geschwindigkeit des Mondes als Faktor darstellten, der während der ersten Hälfte des Umlaufs linear vom Minimum auf das Maximum anwächst und dann bis zum Ende des Zyklus auf das Minimum abnimmt. Mit diesen Berechnungen der Bewegungen von Mond und Sonne konnten die babylonischen Sternforscher die Zeit des Neumonds und damit den Beginn des neuen Monats vorhersagen. Ein Nebenprodukt dieser Berechnungen war, dass sie die Positionen von Mond und Sonne für jeden Tag des Monats kannten.

Auf ähnliche Art und Weise wurden die Positionen der Planeten berechnet und ihre Bewegung nach Osten und Westen dargestellt. Archäologen haben Hunderte von Tontafeln mit diesen Berechnungen ausgegraben. Einige dieser Tafeln stammen aus den Städten Babylon und Uruk am Euphrat. Die Tafeln tragen die Namen von Astrologen jener Zeit, wie z. B. Naburiannu (um 491 v. Chr.) oder Kidinnu (um 379 v. Chr.). Diese Astrologen haben möglicherweise das Berechnungsschema entdeckt.

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Griechische Astronomie

Die alten Griechen lieferten bedeutende theoretische Beiträge zur Astronomie. Homers Odyssee bezieht sich auf Sternbilder wie den Großen Bären, den Orion und die Plejaden und beschreibt, wie man sich in der Navigation an den Sternen orientieren kann. Werke und Tage (Erga) von Hesiod informierte die Bauern, welche Sternbilder zu verschiedenen Jahreszeiten vor dem Morgengrauen aufgehen, um auf die richtigen Zeitpunkte zum Pflügen, Säen und Ernten hinzuweisen.

Wissenschaftliche Beiträge werden mit den Namen der griechischen Philosophen Thales von Milet und Pythagoras von Samos verbunden, obwohl keine ihrer eigenen Schriften erhalten sind. Die Legende, dass Thales die vollständige Verfinsterung der Sonne am 28. Mai 585 v. Chr. vorhersagte, ist möglicherweise unwahr. Um 450 v. Chr. begannen die Griechen ergebnisreiche Untersuchungen der Planetenbewegungen. Der Pythagoreer Philolaos (5. Jh. v. Chr.) nahm an, Erde, Sonne, Mond und die Planeten bewegten sich um ein zentrales Feuer, das durch eine dazwischenliegende Gegenerde verborgen sei. Nach dieser Theorie war die Drehung der Erde um das Feuer alle 24 Stunden für die täglichen Bewegungen der Sonne und der Sterne verantwortlich. Um 370 v. Chr. erklärte der Astronom Eudoxos von Knidos die beobachteten Bewegungen mit einer großen Kugel, die sich einmal am Tag um die Erde drehte. Auf der Kugelinnenseite, so die Erklärung weiter, befänden sich alle Sterne. Um die Bewegungen der Planeten zu deuten, nahm Eudoxos an, innerhalb der Sternenkugel seien die Planeten auf mehreren miteinander verbundenen durchsichtigen Kugeln befestigt. Diese drehten sich unterschiedlich.

Der griechische Himmelsbeobachter Aristarchos von Samos versuchte die Bewegungen am Himmel durch die Annahme zu erklären, dass sich die Erde alle 24 Stunden um die eigene Achse dreht und zusammen mit den anderen Planeten um die Sonne kreist. Diese Theorie, die unter der Bezeichnung helioozentrisches System bekannt ist, konnte sich jedoch nicht gegen das geozentrische Weltbild, mit der Erde im Mittelpunkt, durchsetzen. Das geozentrische Weltbild blieb für ungefähr 2000 Jahre praktisch unangefochten.

Im 2. Jahrhundert v. Chr. verbanden die Griechen ihre Himmelstheorien mit sorgfältig geplanten Beobachtungen. Die Astronomen Hipparchos von Nicäa und Ptolemäus bestimmten die Positionen von ungefähr 1 000 hellen Sternen und benutzten die resultierende Sternkarte als Unterlage für die Messung der Planetenbewegungen. Sie tauschten das Kugelmodell des Eudoxos gegen ein flexibleres Modell mit Kreisbahnen aus. Grundlage ihres Modells ist die Existenz exzentrischer Kreisbahnen mit der Erde als gemeinsamem Mittelpunkt. Dadurch waren sie in der Lage, die unterschiedlich schnelle nach Osten gerichtete Bewegung von Sonne, Mond und Planeten entlang des Tierkreises darzustellen. Die periodischen Geschwindigkeitsschwankungen der Sonne und des Mondes und die Richtungsänderungen der Planeten erklärten sie sich folgendermaßen: Jeder Himmelskörper bewegt sich nach ihrer Theorie gleichmäßig auf einer zweiten Kreisbahn, einem so genannten Epizyklus. Sein Mittelpunkt sollte auf der ersten Kreisbahn liegen. Durch sorgfältige Wahl von Durchmesser und Geschwindigkeit der zwei Kreisbewegungen, die den einzelnen Himmelskörpern zugewiesen wurden, ließ sich deren beobachtete Bewegung darstellen. In einigen Fällen war eine dritte Kreisbahn erforderlich. Dieses Verfahren wurde von Ptolemäus in seinem frühen Werk Mathematike Syntaxis (sinngemäß: mathematische Synthese) beschrieben (siehe ptolemäisches System); dieses Werk erhielt später den Namen Megale Syntaxis (sinngemäß: größte Syntaxis; arabisch: Almagest). Der griechischen Mathematikerin und Philosophin Hypatia werden Kommentare zum Almagest und auch zu anderen mathematischen und philosophischen Schriften (z. B. Werke von Diophantos und Apollonios) zugeschrieben. Hypatia war außerdem Oberhaupt der neuplatonischen Schule in Alexandria und gilt als die erste bedeutende Frau in der Wissenschaftsgeschichte des Abendlandes. Siehe auch Ptolemäisches System

Auf der Basis der griechischen Astronomie waren es vor allem arabische Gelehrte, die im Mittelalter etwa vom 9. bis in das 15. Jahrhundert die Astronomie weiterentwickelten. Sie schufen u. a. neue Sternverzeichnisse und erstellten danach Tabellen mit den Planetenbewegungen. Zu den bedeutendsten arabischen Gelehrten, die sich mit der Astronomie befassten, zählen beispielsweise al-Khwarizmi (780-850), al-Battani (858-929) und al-Biruni (973-1048). Der mongolische Fürst Ulug Beg (1394-1449; ermordet) schrieb u. a. ein astronomisches Handbuch, das aufgrund seiner Genauigkeit bis zu den Werken Tycho Brahes (16. Jahrhundert) unübertroffen blieb. In Samarkand ließ der Fürst und Astronom eine riesige Sternwarte errichten.

Etwa im 15. Jahrhundert kamen arabische Übersetzungen von Ptolemäus’ Almagest nach Westeuropa. Anfangs begnügte man sich, Tabellen der Planetenbewegungen nach dem System von Ptolemäus zu erstellen. Es entstanden kurze und allgemein verständliche Berichte über seine Theorien. In diesem Zusammenhang sind vor allem die Leistungen des deutschen Astronomen Regiomontanus (1436-1476) zu nennen. Aber es kamen auch die ersten Zweifel am ptolemäischen System auf. So stellte beispielsweise der deutsche Philosoph und Mathematiker Nikolaus von Kues (1401-1464) und später auch der italienische Gelehrte Leonardo da Vinci (1452-1519) die grundlegenden Annahmen des ptolemäischen Systems, die Mittelpunktslage und die Unbeweglichkeit der Erde, in Frage.