Missgriff mit schweren Folgen#
Von
Christian Pinter
Von der Wiener Zeitung (Samstag, 07. Mai 2011) freundlicherweise zur Verfügung gestellt
© J. Schedler
Der Salzburger Physiker Christian Doppler erklärte die an sich richtige Theorie des "Doppler-Effekts" seinerzeit mit Hilfe eines falsch gewählten Beispiels – und erntete dafür in der Fachwelt erbitterte Kritik.
Der 1803 in Salzburg geborene Steinmetzsohn Christian Doppler blickt oft mit seinem Lehrer zu den Sternen empor. Später unterrichtet er selbst Mathematik und Geometrie am Polytechnischen Institut in Prag. In den freien Stunden spaziert Professor Doppler durch die alten Gassen der Moldaustadt. Er spielt Flöte oder schaut durchs Teleskop der einstigen Jesuitensternwarte. Das lässt, mehr noch als das freie Auge, die zarten Fixsternfarben erkennen. Sie harren damals noch einer Erklärung.
Heute weiß man: Sterne geben Strahlung aller Wellenlängen ab. Dem Auge erscheinen sie daher primär weiß. Ihre jeweilige Oberflächentemperatur haucht ihnen bestenfalls eine blasse Tönung ins Gesicht. Sind Sterne kühler als die Sonne, mutet ihr Weiß "warm" an, eine Spur gelblich oder gar ein wenig orangefarbig. Sind sie heißer, erscheint das Weiß "kalt" oder lässt einen Anflug von Blau darin erkennen. Das Auge wird so zum Fernthermometer, wenngleich es bestenfalls Pastelltöne sieht. Außerdem lässt es sich täuschen: Der jeweilige Farbeindruck hängt auch von der Sternhelligkeit, dem benutzten Teleskop oder der Abbildungsschärfe ab – und nicht zuletzt von der subjektiven Wahrnehmung des Betrachters. Christian Doppler nimmt Einzelsterne höchstens schwach gelblich und selten blass rötlich wahr. Hingegen erscheinen ihm die sogenannten "Doppelsterne", zu denen man etwa Alamak in der Andromeda, Ras Algethi im Herkules oder Albireo im Schwan zählt, in farbenfrohem Kleid. Doppler schwärmt geradezu von dem "blut- oder auch orangeroten, dem purpurfarbigen, dem schön blauen, grünen oder violetten" Licht dieser Gestirne.
Der Tanz der Sterne#
Doch was sind Doppelsterne? Schon Galilei und andere frühe Fernrohrbenutzer stießen bei ihren himmlischen Streifzügen immer wieder auf Lichtpunkte, die in zwei Sternchen zerfielen. Als Doppler geboren wurde, machte der Astronom Wilhelm Herschel gerade klar: das ist nicht bloß ein Spiel der Perspektive! In vielen Fällen gehören die beiden Sonnen tatsächlich zusammen, sind durch das Band der Anziehungskraft verbunden. Sie tanzen umeinander herum. Ein kompletter Umschwung mag dutzende, hunderte, ja tausende Jahre dauern.
1837 legt der Deutsche Friedrich Wilhelm Struve einen Katalog mit 2710 Sternpaaren vor, wobei er auch die Kolorierung der Partner notiert. Bei gleich hellen Komponenten, so schließt Christian Doppler, gehöre ein Stern meist dem "unteren", der andere jedoch dem "oberen Teil des Farbenspektrums" an. Tatsächlich haben gelblich-orangefarbige Gestirne gern auffallend bläuliche Begleiter; rötliche Sterne besitzen mitunter sogar leicht grünliche Partner.
Das aber sind die sogenannten "Ergänzungsfarben", die zusammengemischt Weiß ergeben. Uns gemahnt das an zwei bekannte Eigenheiten des menschlichen Farbsehens. Der Simultankontrast lässt einen weißen Stern in der Ergänzungsfarbe des helleren, getönten Partners erscheinen. Und der Komplementärkontrast übertreibt die blasse Kolorierung benachbarter Sonnen, die in den Ergänzungsfarben schimmern.
Kurz: Die außergewöhnliche Lebendigkeit der Farben von Doppelsternen beruht auf Sinnestäuschungen, wie bereits Herschel ahnte. Doch Christian Doppler lässt das nicht gelten. Daher rennt er in die Irre – und erblickt ausgerechnet in diesen Kolorierungen den Beweis für seine neue, unerhörte Theorie.
Töne in Bewegung#
Zwei Boote ruhen im See. Aus einem plumpsen Steine ins Wasser, im festen Zeitabstand von einer Minute. Das Nachbarboot wird von den so erzeugten Wellen alle 60 Sekunden ins Schaukeln versetzt. Nun treiben die Boote auseinander. Jede Welle muss jetzt eine längere Strecke als ihre Vorgängerin überwinden. Sie trifft daher mit Verspätung beim anderen Boot ein: Die Frequenz der empfangenen Wellen sinkt, das Schaukeln wird z.B. nur noch alle 65 Sekunden ausgelöst. Halten die Boote aufeinander zu, reduziert sich der Weg. Die Wellen treffen jetzt schon vor Ablauf der Minutenfrist ein. Ihre Frequenz steigt. Und das, obwohl die Steine nach wie vor im selben Rhythmus fallen.
Das sollte auch mit Schall klappen, vermutet Doppler. Eine Flötensonate in C-Dur würde die Ohren der Zuhörers demnach in den Tonarten "D" oder "B" erreichen, sofern sich Orchester und Publikum nur rasch genug aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegten. Aus der scheinbaren Verstimmung könnte man, so betont der Professor, sogar die Geschwindigkeit berechnen. Doch die Postkutsche ist zu langsam, um diesen "Doppler-Effekt" hörbar zu machen. Auch deshalb verlegt der Physiker seine Beweisführung ins All. Er ruft die Sterne zu Hilfe, die seiner Meinung nach mit 900.000 km/h und mehr unterwegs sind. In Analogie zu den von ihm behaupteten Tonhöhenänderungen beim Schall sollen sie Farbverschiebungen zeigen. Für Christian Doppler sind die beiden Partner eines Doppel-sterns von Natur aus kaum gefärbt. Während sie rasch umeinander tanzen, hält eine Sonne auf uns zu, während die andere gleichzeitig fort eilt. Das weiße Licht der sich gerade nähernden Sonne soll nach Doppler grünlich, bläulich oder gar ins Violett verschoben bei uns ankommen, das der weg eilenden in Gelb, Orange oder Rot erscheinen. Für Doppler ist es also die rasante Bewegung der Partner, die das farbenfrohe Erscheinungsbild verursacht.
© Foto: Ö. Post
Am 25. Mai 1842 trägt er diese Gedanken vor der "Königlich-böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften" in Prag vor. Der Abdruck des Referats erscheint unter dem Titel "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels". Diese Schrift reizt zum Widerspruch – auch weil Doppler die Sterne mit einem Tausendstel, ja mitunter sogar mit der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit dahin flitzen lässt. In Wirklichkeit, so wirft der deutsche Astronom Johann Heinrich Mädler korrekt ein, sind sie aber zehntausendmal langsamer unterwegs als das Licht.
Tadel der Astronomen#
Christian Doppler studiert unterschiedlich alte Beobachtungsberichte von Herschel, Struve und Mädler. Dabei stößt er auf vermeintliche Hinweise für Farbveränderungen. Das freut ihn außerordentlich. Denn die umeinander tanzenden Partner müssen ihre Bewegungsrichtung, von unserem Standpunkt aus betrachtet, ja zyklisch vertauschen. Damit, so denkt Doppler, wechsle auch die Kolorierung. Trotzdem scharen sich viele Astronomen lieber um den äußerst kritischen Mädler: Er hat seit 1840 fast alle Doppelsterne Struves nochmals mit dem Teleskop angepeilt und gilt zu Recht als Autorität. Während sich Doppler gerade bei den Himmelskundlern freundliche Aufnahme erhofft hat, begegnet man ihm dort mit "völlig unbegründetem und deshalb unverständigem Tadel".
Skeptiker weisen ihn auf Denkfehler hin. Verschwände das Rot aus dem Licht eines heranrasenden Sterns, würde es vom nachrückenden Infrarot ersetzt. Umgekehrt rückte das Ultraviolett sofort an die Stelle des Blaus. Unterm Strich bliebe der Farbeindruck also stets erhalten. Tatsächlich hat Doppler die IR- und UV-Strahlung sträflich vernachlässigt, obwohl beide schon vor seiner Geburt entdeckt worden sind. Darauf angesprochen, tut er sie als "ziemlich dünn" ab. Am 3. Juni 1845 setzt der niederländische Meteorologe Christoph Buys-Ballot Trompeter auf den offenen Waggon eines Eisenbahnzugs. Sie blasen ein "G". Neben dem Gleis warten andere Musiker. Als die Lokomotive endlich mit rund 70 km/h herandampft, hören sie das Signal wirklich einen knappen Halbton höher; es klingt tiefer, als sich der Zug entfernt. Für Doppler ist sein Effekt damit "über jeden Zweifel sichergestellt". Doch selbst Ballot warnt davor, den akustischen Beweis auf die Sternfarben anzuwenden.
Postumer Triumph#
Längst ist die infektiöse Lungentuberkulose, die schon Dopplers Vater und Bruder dahin raffte, auch bei ihm ausgebrochen: Er stirbt am 17. März 1853, keine 50 Jahre alt. Bis zuletzt hat er vom "beneidenswerten Los der Unsterblichkeit" geträumt – und gehofft, Astronomen würden mit seinem Effekt bald Vorgänge im Universum ergründen, "bei welchen sie sich von jeder anderen Hilfe verlassen sehen".
So kommt es schließlich auch. Der Doppler-Effekt zeigt sich aber nicht an den diffusen Sternfarben, sondern an den klar umrissenen dunklen Linien im Sternspektrum. 1814 entdeckt, entpuppen sich diese, sieben Jahre nach Dopplers Tod, als Fingerabdrücke der chemischen Elemente. Jede Linie besitzt deshalb ihre feste Frequenz. Und diese Frequenz erreicht uns bei bewegten Gestirnen tatsächlich ein wenig erhöht oder verringert. Das ganze Linienspiel rückt dann in Richtung des blauen oder roten Endes des Spektralbands: je höher das Tempo, desto ausgeprägter der Effekt.
Wo immer Astronomen heute Geschwindigkeiten innerhalb der Milchstraße ermitteln, ist der Dopplereffekt ihre Messmethode erster Wahl; auch bei Doppelsternen. Oft sind deren Sonnen so intim miteinander, dass selbst das beste Teleskop sie nicht mehr trennen kann. Doch im gemeinsamen Spektrum wandern die Linien der einen Komponente nach links, die der anderen gleichzeitig nach rechts. Später schließt sich die Kluft und die Linien tauschen ihre Plätze. Dieses Spiel entlarvte 1889 den Stern Algol als Doppelsonne. Viele weitere folgten.
Ist der Begleiter lichtschwach, bleiben dessen Spektrallinien unsichtbar. Dann marschieren nur die Linien des Hauptsterns rhythmisch hin und her. Mit diesem Trick entdeckt man seit 1995 auch immer wieder Planeten im Orbit um andere Sterne. Dank Dopplers Effekt muss sich die Lichtquelle dazu bloß mit dem gemächlichen Schritt eines Spaziergängers bewegen. Das "Haus der Natur" in Salzburg widmet dem heute berühmten Forscher eine sehenswerte Dauerausstellung.
Christian Pinter, geboren 1959
lebt als Fachjournalist für Astronomie in Wien.