Spektroskopie

Spektroskopie zerlegt Licht in seine Bestandteile, ähnlich wie ein Prisma einen Regenbogen erzeugt. Jedes chemische Element hinterlässt dabei ein einzigartiges Muster aus hellen oder dunklen Linien im Spektrum, einen Fingerabdruck, der über beliebige Entfernungen lesbar ist. Joseph von Fraunhofer entdeckte 1814 die dunklen Linien im Sonnenspektrum. Kirchhoff und Bunsen konnten ab 1859 diese Linien konkreten Elementen zuordnen und begründeten damit die astrophysikalische Spektroskopie.

Für die Exoplanetenforschung ist Spektroskopie unverzichtbar. Die Radialgeschwindigkeitsmethode nutzt winzige Dopplerverschiebungen in den Spektrallinien eines Sterns, um unsichtbare Planeten aufzuspüren, die den Stern durch ihre Gravitation minimal zum Wackeln bringen. Das HARPS-Spektrometer in Chile hat auf diese Weise Hunderte Exoplaneten entdeckt. Wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht (Transit), filtert seine Atmosphäre bestimmte Wellenlängen aus dem Sternlicht. Das James-Webb-Weltraumteleskop nutzt diese Transmissionsspektroskopie, um Atmosphären von Exoplaneten zu analysieren und nach Biosignaturen wie Sauerstoff, Methan oder Wasserdampf zu suchen.

In der Kosmologie liefert Spektroskopie den Beweis für die Expansion des Universums: Edwin Hubble zeigte 1929, dass die Spektrallinien entfernter Galaxien systematisch zum Roten verschoben sind. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker die Rotverschiebung. Diese Beobachtung führte zur Urknalltheorie.

Spektroskopie ist eine der ältesten und zugleich mächtigsten Techniken der Astronomie. Ohne sie wüssten wir nicht, woraus die Sonne besteht, wie alt das Universum ist, oder ob Exoplaneten lebensfreundliche Atmosphären haben.

Gerade die Geschichte des Heliums zeigt die fast unheimliche Macht der Spektroskopie. Das Element wurde 1868 zuerst im Spektrum der Sonne entdeckt, anhand einer unbekannten gelben Linie, und erst Jahrzehnte später auf der Erde nachgewiesen, daher der Name nach dem griechischen Sonnengott Helios. Dass sich die Zusammensetzung eines 150 Millionen Kilometer entfernten Sterns allein aus seinem Licht bestimmen ließ, galt im 19. Jahrhundert als Sensation und gilt bis heute als eindrucksvoller Beleg dafür, dass das Universum überall denselben physikalischen Gesetzen folgt. Dieselbe Methode, die das Helium in der Sonne fand, sucht heute nach Sauerstoff und Methan in den Atmosphären ferner Exoplaneten. Die Spektroskopie verbindet damit die gesamte Astronomie zu einer einzigen Idee: Licht ist ein Bote, der die chemische Zusammensetzung, die Temperatur, die Bewegung und sogar das Magnetfeld seiner Quelle über beliebige Entfernungen hinweg mit sich trägt. Wer dieses Licht zu lesen versteht, kann das Universum befragen, ohne es jemals zu berühren.