Weit entfernt im Universum findet man den “Lyman-Alpha-Wald”. Mit Bäumen hat der aber nichts zu tun. Sondern mit Wasserstoff – und eine Analyse dieses Waldes hilft den Astronomen dabei, die grundlegende Struktur des Universums und seine Entwicklung besser zu verstehen.

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Transkription

Sternengeschichten Folge 172: Der Lyman-Alpha-Wald

Wenn man nachts zum Himmel blickt, sieht man – vorausgesetzt es gibt keine Wolken – jede Menge Sterne. Astronomen mit ihren großen Teleskopen können außerdem noch jede Menge Galaxien beobachten. Sterne und Galaxien sind aber bei weitem noch nicht alles, was es im Kosmos zu sehen gibt. Uns interessiert auch der ganze Rest; zum Beispiel die Materie zwischen den Galaxien. Verglichen mit den Galaxien selbst ist der intergalaktische Raum leer. Aber eben nicht ganz leer. Dort findet man ein dünnes Gas aus Teilchen und dort findet man immer wieder auch größere Wolken aus Wasserstoff.

Nein, um diesen Wald geht es nicht... (Bild: NASA/JPL-Caltech)

Nein, um diesen Wald geht es nicht… (Bild: NASA/JPL-Caltech)

Die Informationen über die intergalaktische Materie sind interessant für die Astronomen; denn seine Menge und Zusammensetzung sagt uns einiges über die Prozesse, die es dorthin gebracht haben. Sterne in den Galaxien können es hinaus geschleudert haben aber auch und vor allem die großen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien sorgen mit ihrer enormen Gravitationskraft dafür, dass Material aus ihrer Umgebung weit hinaus in den leeren intergalaktischen Raum transportiert wird.

Die Wasserstoffwolken zwischen den Galaxien sind aber auch von Interesse, weil sie ursprüngliches Material darstellen; Material das seit dem Urknall relativ ungestört existiert und sich nie zu Sternen geformt hat. Will man mehr über die gesamte Entwicklung des Universums wissen, dann lohnt es sich also auch aus diesem Grund, mehr über die intergalaktische Materie zu erfahren.

Aber das ist gar nicht so einfach. Das dünne Gas leuchtet nicht selbst und ist viel zu weit von Sternen und Galaxien entfernt um von diesen zum Leuchten angeregt zu werden. Trotzdem gibt es einen Weg, die Wasserstoffwolken zu vermessen. Man nutzt dafür den sogenannten Lyman-Alpha-Wald.

Darüber habe ich schon in Folge 79 der Sternengeschichten ein bisschen etwas erzählt, möchte das heute aber gerne ein wenig ausführlicher erklären.

Trifft Licht bzw. allgemein elektromagnetische Strahlung auf Materie, kann es absorbiert werden. Aber nicht einfach so; wie genau der Vorgang abläuft, hängt von der Art der Materie ab. Materie besteht aus Atomen und jedes Atom aus einem Kern und einer Hülle von Elektronen. Diese Elektronen bestimmen, wie die Absorption abläuft. Die Energie des Lichts kann von den Elektronen aufgenommen werden. Aber nicht in beliebigen Mengen; die Energie muss gerade so groß sein, damit das Elektron von einem Energieniveau zum einem anderen wechseln kann.

Eine große Erkenntnis der Quantenmechanik besagt ja, dass Energie nicht in willkürlichen Mengen abgegeben oder absorbiert werden kann, sondern nur in ganz konkreten Energiepaketen, den “Quanten”. Die Menge an Energie die in einem Elektron steckt bestimmt, in welcher Entfernung vom Atomkern es sich aufhält. Und da die Energie nur in bestimmten Mengen verfügbar ist, kann sich auch das Elektron nur an bestimmten Orten befinden, den sogenannten Schalen beziehungsweise Energieniveaus und auch nur zwischen diesen Schalen hin und her wechseln.

Das Wasserstoffatom hat beispielsweise in seiner Hülle nur ein einziges Elektron. Befindet es sich gerade im niedrigsten Energieniveau, also in der untersten beziehungsweise dem Kern am nächsten gelegenen Schale, dann sind ganz bestimmte Energiemengen notwendig, um es in eine höhere Schale zu heben. Will man es von der ersten in die zweite Schale heben, braucht man dafür Licht, das eine Wellenlänge von exakt 121,5 Nanometern haben muss. Nur dieses Licht hat die richtige Menge an Energie die vom Elektron aufgenommen werden kann. Für einen Wechsel von der ersten in die dritte Schale braucht es Licht mit einer Energie von 102,5 Nanometern; von der ersten in die vierte Schale sind 97,2 Nanonmeter notwendig, und so weiter.

Alle Übergänge eines Elektrons von der ersten zu einer der höheren Schalen werden zusammen als “Lyman-Serie” bezeichnet; benannt nach dem amerikanischen Physiker Theodore Lyman, der das im Jahr 1906 erstmals ausgerechnet hat. Und der Übergang von der ersten zur zweiten Schale ist der “Lyman-Alpha-Übergang”. Der kann, wie schon gesagt, nur stattfinden, wenn Licht mit einer Wellenlänge von 121,5 Nanometern auf das Wasserstoffatom trifft. Wenn also Licht auf eine Wolke aus Wasserstoff trifft dann wird der Großteil dieses Licht die Wolke ungehindert durchqueren. Der Anteil des Lichts der eine Wellenlänge von 121,5 Nanometern hat, wird von den Elektronen der Atome aber absorbiert und fehlt danach.

Und genau das kann man auch beobachten. Astronomen können das Licht ferner Himmelskörper beobachten und nachsehen, wie viel davon mit einer bestimmten Wellenlänge bei uns ankommt. Diese Technik nennt man Spektroskopie und die fehlenden Bereiche des Lichts “Spektrallinien”. Fehlt gerade das Licht mit einer Wellenlänge von 121,5 Nanometern; findet man also genau dort eine Spektrallinie, dann weiß man: Dieses Licht hat unterwegs eine Wolke aus Wasserstoff durchquert.

In der Realität ist es allerdings nicht ganz so einfach. Wenn es um die intergalaktische Materie geht, dann sind da natürlich auch sehr, sehr große Distanzen im Spiel. Das Licht ferner Galaxien ist Millionen oder Milliarden Jahre unterwegs, bis es bei uns angelangt. Es stammt aus enorm großer Entfernung und das hat Folgen.

Betrachten wir zum Beispiel einen Quasar. Über diese hell leuchtenden Zentren ferner Galaxien habe ich ja schon in Folge 52 der Sternengeschichten ein wenig mehr erzählt. Quasare sind so hell, dass sie auch noch in enormen Entfernungen beobachtet werden können. Das Licht so eines Quasars wird auf seinem Weg zu uns nun höchstwahrscheinlich irgendwo im intergalaktischen Raum auf eine dort befindliche Wasserstoffwolke treffen. Ein Teil des Lichts wird, wie vorhin beschrieben, absorbiert.

Jetzt muss man allerdings auch berücksichtigen, dass sich das Universum ausdehnt. Der Raum zwischen unserer Galaxie und der weit entfernten intergalaktischen Wasserstoffwolke expandiert. Von uns aus gesehen entfernt sich die Wolke also; genau so wie der Quasar selbst. Sein Licht erscheint uns daher auch rotverschoben: genau so wie sich die Tonhöhe der Sirene eines Polizeiautos veränder, das an uns vorbei fährt und sich entfernt. Wir sehen daher die Spektrallinie des Lyman-Alpha-Übergangs auch nicht bei 121,5 Nanometern sondern entsprechend verschoben.

Wie weit die Spektrallinie verschoben ist, hängt von der Entfernung der Wasserstoffwolke ab. Oder anders gesagt: Aus der Verschiebung der Spektrallinie können die Astronomen die Entfernung der intergalaktischen Wasserstoffwolke bestimmen.

Wenn man das Licht eines Quasars betrachtet, dann findet man dort im Allgemeinen nicht nur eine einzige Spektrallinie des Wasserstoffs. Das Universum ist groß; zwischen den Galaxien ist jede Menge Platz und dort befinden sich jede Menge Wasserstoffwolken. Das Licht durchquert also auch viele verschiedene Wolken in unterschiedlichen Entfernungen von der Erde. Jede einzelne dieser Wolken erzeugt ihre eigene Lyman-Alpha-Linie und jede davon ist auf ihre eigene und charakteristische, von ihrer Entfernung abhängige Weise verschoben.

Die vielen Linien des Lyman-Alpha-Waldes im Spektrum eines Quasars (Bild: Rauch, 1998)

Die vielen Linien des Lyman-Alpha-Waldes im Spektrum eines Quasars (Bild: Rauch, 1998)

Es gibt also einen ganzen Wald von Linien und eine genaue Analyse dieses Lyman-Alpha-Walds erlaubt es den Astronomen mehr über die intergalaktischen Wolken herauszufinden. Sie können nicht nur Anzahl und Entfernung bestimmen, sondern zum Beispiel auch nachsehen, wie stark die Linien sind. Je größer die Wolken sind und je dichter das Wasserstoffgas dort vorliegt, desto mehr Licht wird auch absorbiert und desto stärker ist die entsprechende Spektrallinie. Die Dichte und Größe der Wolken wird wiederum von den umliegenden Galaxien beeinflusst. Der Lyman-Alpha-Wald hilft den Astronomen also, die großräumige Struktur des Universums zu verstehen.

Die Verteilung der Wasserstoffwolken spiegelt auch die Verteilung der Materie im frühen Universum wieder. Sie wird von Phänomenen wie der dunklen Energie beeinflusst, die für eine beschleunigte Expansion des Kosmos sorgt. Eine Untersuchung des Lyman-Alpha-Walds hilft uns also auch dabei, solch grundlegende Fragen nach der Entwicklung des gesamten Universums besser zu verstehen. Auch die Verteilung der prinzipiell nicht sichtbaren dunklen Materie beeinflusst die Wasserstoffwolken und damit den Lyman-Alpha-Wald.

Die Analyse des Lyman-Alpha-Walds gehört zu den wichtigsten Methoden der Kosmologie. Und wieder einmal zeigt sich, wie in der Astronomie die großen und die kleinen Dinge zusammenhängen: Das Verhalten von winzigen Elektronen in unvorstellbar großen Entfernungen erlaubt es uns, die Entwicklung und den Aufbau des gesamten Universums zu verstehen…

Kommentare (17)

  1. #1 Kyllyeti
    11. März 2016

    Bitte Korrigieren:
    Der Link zum direkten Herunterladen verweist auf die Folge 171 von letzter Woche.

  2. #2 Jürgen A.
    Berlin
    11. März 2016

    Was ist an den Achsen von Bild 2 aufgetragen ?

  3. #3 Florian Freistetter
    11. März 2016

    @Jürgen: Das ist ein Spektrum, so wie es auch im Podcast erklärt ist. Man sieht Wellenlänge und die Menge an Strahlung die bei dieser Wellenlänge empfangen wird.

  4. #4 Jens
    Langen
    11. März 2016

    Ist in diesen Spektren von fernen Quasaren auch der Lyman-Alpha-Übergang aus Wasserstoffwolken unserer Milchstraße enthalten und liegt dieser dann genau bei 121,5 nm?

  5. #5 pane
    11. März 2016

    wie kann man eine stark rot verschobene Lyman-Alpha-Linie von einer weniger rot verschobene Lyman-Beta-Linie oder einer Heliumlinie oder eine Linie von einem anderen Zeugs unterscheiden?

  6. #6 Jürgen A.
    Berlin
    11. März 2016

    @FF

    Schade, daß du dich nicht genauer erklärst. Den Podcast kann ich nicht hören, auf dem dienstlichen Internetrechner ist das nicht freigeschaltet. Du hättest doch nur schreiben müssen, daß das nur ein Beispiel für einen Linienwald ist. Schon Fraunhofer hat festgestellt, daß das Sonnenspektrum aus lauter feinsten Linien besteht.

    Wenn man Phantasie walten läßt, könnte man denken, daß Wellenlängen von 4000 bis 5600 Angstrom (400nm bis 560nm) gemeint sind. Wenn man das als Lyman-Alpha-Wald nimmt, entspricht das Rotverschiebungen von z=2,3 bis z=3,6. Also sehr weit weg. Und in wie weit kann man ausschließen, daß in diesem Wald von Spektrallinien nicht auch andere, nicht so weit rotverschobene Linien enthalten sind?

  7. #7 Krypto
    11. März 2016

    @Jürgen A.:
    Florian hat doch das Paper zur Tabelle als Quellenlink angegeben…musst nur klicken und lesen 😉

  8. #8 Florian Freistetter
    11. März 2016

    @Jürgen: “Schade, daß du dich nicht genauer erklärst. Den Podcast kann ich nicht hören, auf dem dienstlichen Internetrechner ist das nicht freigeschaltet. “

    Deswegen gibt es da ja die Transkription… Vielleicht solltest du auch deine Frage genauer stellen. Willst du wissen, was ein Spektrum ist? Ansonsten findest du alle Details zum Bild in der Quelle. Einfach draufklicken und du findest das paper aus dem es stammt wo alles bis ins Detail erklärt ist.

  9. #9 PDP10
    11. März 2016

    @pane:

    wie kann man eine stark rot verschobene Lyman-Alpha-Linie von einer weniger rot verschobene Lyman-Beta-Linie oder einer Heliumlinie oder eine Linie von einem anderen Zeugs unterscheiden?

    Anhand der relativen Abstände. Die bleiben gleich auch wenn die Linien insgesamt nach rot verschoben werden. So ein Linien-“Ensemble” ist so eindeutig wie ein Fingerabdruck.

  10. #10 fherb
    11. März 2016

    Hallo, eine Frage eines Nichtphysikers:

    Welchen Maßstab hat das Wörtchen -exakt- bezogen auf die Wellenlängen? Also, wie exakt muss eine Wellenlänge exakt sein, damit sie zu einer Absorption führen kann?

    Meine Frage bezieht sich letztlich auf die Rate, mit der Photonen eines Senders tatsächlich absorbiert werden und zu einer Linie führen. Wenn wir z.B. einen schwarzen Strahler annehmen, mit einem kontinuierlichen Spektrum und einer unendlich scharfen Exaktheit bei der notwendigen Übereinstimmung der Energie des Photons mit dem Elektronenniveau im Wasserstoff, dürfte auch nur eine unendlich kleine Zahl an Photonen absorbiert werden. Wird aber nicht, sonst gäbe es die Absorptionsspektren nicht. Wie spreizt sich also die Akzeptanz der Anhebung des Elektronenniveaus in Bezug auf die Wellenlänge?

    Meine Frage hat einen weiteren gedanklichen Hintergrund: Ist der Strahler kein Schwarzer, sondern sendet er ebenfalls ein Spektrum von exakten Wellenlängen aus, würden die sich bei der Rotverschiebung so einstellen, dass faktisch keine Wellenlänge des Strahlers mit den Absorptionswellenlängen der Wolke übereinstimmen würde. Denn z.B. alles was gesendete Wasserstofflinien sind, würde neben den Absorptionslinien des Wasserstoffs in der Wolke liegen. Es würde nichts absorbiert werden.

    Da das der Beobachtung widerspricht, muss also jede Absorptionslinie einen Akzeptanzbereich um einen Mittelwert der zu absorbierenden Wellenlänge besitzen. Oder ist die Quantisierung letztlich so grob, dass sich die Akzeptanz durch das Quantisierungsintervall gebildet wird?

  11. #11 pane
    11. März 2016

    @pdp10:
    Also geht es doch nicht ausschließlich um Lyman-Alpha-Linien, sondern auch um die Beta, Gamma, … -Linien.

  12. #12 PDP10
    11. März 2016

    @pane:

    Also geht es doch nicht ausschließlich um Lyman-Alpha-Linien, sondern auch um die Beta, Gamma, … -Linien.

    Doch, gehts.

    Platt gesagt: Du siehst so ein Paket Lyman-Alpha-Linien und weisst, dass sind Lyman-Alpha-Linien.
    Egal wie weit die nach rot verschoben sind.

    Das meinte ich mit Fingerabdruck.

  13. #13 pane
    12. März 2016

    Gibt es eigentlich Spektrallinien für irgend ein Zeugs, (Atome, Ionen, Moleküle) in allen Wellenbereichen? Also von Radiostrahlung bis hin zur extrem harten Gammastrahlung? Ich meine ohne Rot- oder Blauverschiebung?

  14. #14 Alderamin
    12. März 2016

    @pane

    Radio ja. Gamma nicht. Gammastrahlung entsteht bei frei beweglichen Elektronen (Bremsstrahlung), die jede Energie aufnehmen/abgeben können, während Linien nur bei diskreten erlaubten Zuständen entstehen. Moleküle haben so was im Radiobereich (Rotation, Schwingungen). Scrall mal bis zu “Some Astronomical Applications of Molecular Lines” runter., da siehst Du so ein Spektrum im Millimeterwellenbereich.

    Das ist auch der Grund, warum die Atmosphäre gewisse Radiowellen nicht durchlässt. Im Moment wird die 5G-Funktechnik entwickelt, die arbeitet teilweise bei 60-70 GHz. Bei 60 GHz werden Radiowellen ziemlich gut von der Luft geschluckt, das taugt nur für kurze Entfernungen.

  15. #15 PDP10
    12. März 2016

    @Alderamin:

    Radio ja. Gamma nicht. Gammastrahlung entsteht bei frei beweglichen Elektronen (Bremsstrahlung), die jede Energie aufnehmen/abgeben können, während Linien nur bei diskreten erlaubten Zuständen entstehen.

    Naja, so ganz stimmt das nicht.

    Wenn die Elektronen in den unteren Schalen schwerer Atome angeregt werden, können die durchaus Strahlung im Röntgen- oder langwelligem Gammabereich aussenden.

    Die berühmten K-α Linien zB.

    Das sind dann allerdings keine Linienspektren weil die angeregten Elektronen kein höheres Energieniveau besetzen können, weil die schon alle besetzt sind.

    @pane:

    Ich bin beim stöbern zu diesem Thema auf diese Seite hier gestossen:

    http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/atomarer-energieaustausch

    Da wird der ganze Kram mit der Spektroskopie sehr gut und allgemeinverständlich erklärt – man muss sich allerdings damit anfreunden Flash zuzulassen …

  16. #17 Guido
    8. November 2016

    “Diese Technik nennt man Spektroskopie und die fehlenden Bereiche des Lichts “Spektrallinien”. Fehlt gerade das Licht mit einer Wellenlänge von 121,5 Nanometern; findet man also genau dort eine Spektrallinie, dann weiß man: Dieses Licht hat unterwegs eine Wolke aus Wasserstoff durchquert”

    Hallo Florian, kurze Frage zur Klärung:
    Heissen denn tatsächlich die fehlenden Wellenlängen Spektrallinien?
    Ich stelle mir das eher so vor, dass die entsprechende Spektrallinie eben nach dem Durchqueren der Wasserstoffwolke fehlt und man daher auf die Wolke zurückschliessen kann. Weil das Licht mit der Wellenlänge ja absorbiert wurde…..