Geschichte der Astronomie

Gegenstand und Grundlagen

Die Geschichte der Astronomie beschreibt die wissenschaftliche Beschäftigung mit Gestirnen von der Urgeschichte bis heute. Aus Beobachtungen mit bloßem Auge entstanden Positionsastronomie (Bestimmung von Himmelspositionen) und Ephemeridenrechnung (Vorausberechnung von Stellungen). Fernrohre seit 1609, Messgeräte, Radio- und Weltraumteleskope erweiterten später Himmelsmechanik und Astrophysik. Astronomie prägt das Bild von der Stellung des Menschen im Universum, besonders bei Fragen nach Ursprung des Universums, bewohnbaren Exoplaneten und außerirdischem Leben.

Sichtbar sind Fixsterne, Milchstraße und die fünf hellen Wandelgestirne Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn. Mit Sonne und Mond bilden sie die sieben klassischen Himmelskörper, nach denen die Wochentage benannt sind; ihre scheinbaren Bahnen liegen entlang des Zodiaks an der Ekliptik. Weitere freiäugige Objekte sind etwa Plejaden, Hyaden, Orion-Nebel, Andromedagalaxie, Magellansche Wolken, Kometen, Meteore und Novae.

Die Fixsterne scheinen sich wegen der Erdrotation in ungefähr 24 Stunden um einen Himmelspol zu drehen. Auf der Nordhalbkugel drehen sie sich heute scheinbar entgegen dem Uhrzeigersinn um Polaris. Präzession bedeutet die langfristige Bewegung der Erdachse: Der Frühlingspunkt wandert in zirka 28.000 Jahren einmal durch den Tierkreis. Daher liegt er heute im Sternbild Fische; astrologische Zeichen und gleichnamige Sternbilder sind versetzt.

Frühe Beobachtungen und Hochkulturen

Für das Jungpaläolithikum gibt es nur mögliche Hinweise: rund 20.000 Jahre alte Malereien von Lascaux könnten Plejaden, Tierkreis und Sommerhimmel zeigen; ein etwa 30.000 Jahre alter Knochen aus dem Abri Blanchard könnte Mondphasen markieren. Für die Landwirtschaft der Jungsteinzeit waren Sonnen- und Mondzyklen wichtig, weil Aussaat, Ernte und Kalender davon abhingen. Astronomie, Kulte und Astrologie waren anfangs eng verbunden. Die Kreisgrabenanlage von Goseck wurde vor etwa 7000 Jahren errichtet; die rund 4000 Jahre alte Himmelsscheibe von Nebra gilt möglicherweise als älteste konkrete Himmelsdarstellung. Stonehenge und weitere Kultbauten zeigen astronomische Ausrichtungen. Die Archäoastronomie erforscht solche Befunde seit den 1970er Jahren.

Frühe Aufzeichnungen nennen eine umstrittene Mondfinsternis vom 17. Januar 3380 v. Chr. bei den Maya, eine chinesische Sonnenfinsternis 2137 v. Chr. und die erste sicher datierbare mesopotamische Sonnenfinsternis am 6. Juni 763 v. Chr. In Ägypten diente Astronomie vor allem der Vorhersage der Nilschwemme. Der heliakische Aufgang des Sirius kündigte sie ab etwa 2000 v. Chr. an. Das ägyptische Jahr hatte 365 Tage; nach 1440 bis 1460 Jahren fiel der Sirius-Aufgang wieder auf dasselbe Kalenderdatum. Eine Reform auf 365,25 Tage wurde noch um 221 v. Chr. rückgängig gemacht.

Mesopotamien überlieferte besonders präzise Reihen auf Tontafeln. Der babylonische Lunisolarkalender nutzte im 19-jährigen Meton-Zyklus sieben Schaltmonate. Bekannt waren etwa der synodische Monat mit 29,53062 Tagen, Venus- und Marsumlauf mit nur 0,2 beziehungsweise 1 Stunde Fehler sowie der 18-jährige Saroszyklus der Finsternisse. Die Einteilung in 360 Bogengrade und die Stundenzählung stammen aus Babylon. Mathematische Reihen ermöglichten Ephemeriden und Vorhersagen.

In Indien, China und Amerika entwickelten sich ebenfalls genaue Kalender und Beobachtungen. In China gab es ein staatliches astronomisches Amt; Chroniken berichten über Sonnenflecken, „Gaststerne“ (Novae und Supernovae) und den Kometen Halley bereits 613 v. Chr. Die Kalender und Planetenzyklen der Maya und Azteken waren hochentwickelt; die Umlaufzeiten der fünf frei sichtbaren Planeten waren teils auf wenige Minuten bekannt. Viele Quellen amerikanischer Hochkulturen wurden jedoch vernichtet.

Antike Weltbilder und Methoden

Die Griechen übernahmen unter anderem Tierkreis, Planetenperioden und Beobachtungen aus Babylonien, erklärten den Kosmos aber vor allem geometrisch. Anaximander beschrieb früh ein geozentrisches Weltbild mit einer Sphäre und der Erde im Zentrum. Die griechische Astronomie untersuchte Himmelsvorgänge erstmals wissenschaftlich, unabhängig von Kalender, Religion und Astrologie.

Eratosthenes bestimmte um 220 v. Chr. den Erdumfang bemerkenswert genau: Er verglich am selben Tag Schatten in Alexandria und Syene und erklärte die Unterschiede durch verschiedene Breitengrade auf einer kugelförmigen Erde. Aristarchos von Samos versuchte methodisch richtig, aber wegen ungenauer Messung um den Faktor 20 zu kurz, das Verhältnis von Sonnen- zu Mondabstand zu bestimmen. Der Mechanismus von Antikythera, etwa 100 v. Chr., wird als Analogrechner mit Zahnrädern zur Vorausberechnung von Himmelskörperbewegungen gedeutet.

Hipparchos entwickelte Instrumente zur Koordinatenbestimmung und erstellte um 150 v. Chr. mit Archimedes erste Sternkataloge von etwa 1000 Sternen. Ihm wird auch die Entdeckung der Präzession zugeschrieben. Ptolemäus fasste um 150 n. Chr. das geozentrische Weltbild und einen Sternkatalog im Almagest zusammen; dieses Werk blieb weit über die Renaissance hinaus maßgeblich.

Es gab dennoch Alternativen: Hiketas nahm eine rotierende Erde an, andere Pythagoreer ein Zentralfeuer. Aristarchos schlug im 3. Jahrhundert v. Chr. ein heliozentrisches Modell mit ruhender Sonne vor; Herakleides Pontikos und Aristarchos vertraten eine tägliche Erdrotation. Allgemein anerkannt blieb jedoch die unbewegliche Erde im Zentrum, bis Copernicus 1543 an Aristarchos anknüpfte.

Mittelalter und Renaissance

In Westeuropa ging nach der Völkerwanderung viel griechisch-römisches Wissen verloren. Astronomie blieb Teil des Quadriviums, wurde aber an Klosterschulen oft kaum gelehrt. Durch Übersetzungen aus dem Arabischen, besonders über die Übersetzerschule von Toledo, kamen Werke von Aristoteles und Ptolemäus wieder nach Westeuropa. Die islamische Astronomie bewahrte, übersetzte und erweiterte antikes Wissen, etwa durch Sternkataloge, Sternnamen, Astrolabien und genaue Messungen der Ekliptikschiefe. Das geozentrische Modell blieb überwiegend anerkannt. Die Supernova 1054 stellte die Vorstellung eines unveränderlichen Himmels in Frage.

Im Spätmittelalter stärkten Johannes von Gmunden, Georg von Peuerbach und Regiomontanus die beobachtende Astronomie. Regiomontanus maß 1472 erstmals den Winkeldurchmesser eines Kometen. Roger Bacon beschrieb 1267 den Aufbau einer Linse korrekt.

Copernicus veröffentlichte im Mai 1543 De revolutionibus orbium coelestium. Darin zeigte er mathematisch, dass Planetenbewegungen auch heliozentrisch beschrieben werden können. Tycho Brahe bestimmte 1577 Kometenbahnen und Entfernungen und lieferte mit seinem Mauerquadranten sehr genaue Positionsmessungen, besonders für Mars. Johannes Kepler formulierte 1609 in Astronomia Nova das 1. und 2. keplersche Gesetz und beschrieb die Planetenbahnen korrekt aus heliozentrischer Sicht.

Das Fernrohr leitete den Umbruch ein. Galileo Galilei beobachtete die vier inneren Jupitermonde und Venusphasen; dies schwächte das ptolemäische Weltbild. Seine Ergebnisse waren sowohl mit dem kopernikanischen Modell als auch mit Brahes geozentrischem Modell vereinbar; ein entscheidender Beweis war damals noch nicht möglich. Galilei musste am 22. Juni 1633 dem heliozentrischen Weltbild abschwören.

Vom Fernrohr zur Astrophysik

Im 17. und 18. Jahrhundert verbesserten Fernrohre, Sternwarten und die auf Newtons Gravitationsgesetz beruhende Himmelsmechanik die Astronomie. Newton erklärte 1687 in den Principia die keplerschen Gesetze durch Gravitation. Ole Rømer folgerte 1676 aus Verzögerungen bei Verfinsterungen von Jupitermonden, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit besitzt. Christiaan Huygens berechnete 1690 etwa 280 Millionen km gegenüber dem späteren Wert von etwa 300 Millionen km.

Edmond Halley sagte 1705 die Wiederkehr des Kometen von 1682 für 1758/59 voraus und identifizierte ihn mit Erscheinungen von 1607 und 1531. Charles Messier veröffentlichte 1774 seinen Nebelkatalog. Wilhelm Herschel beobachtete Uranus am 13. März 1781 zunächst als Kometen; er wurde als Planet erkannt. Johann Gottfried Galle fand Neptun 1846 an der aus Störungen der Uranusbahn mathematisch vorhergesagten Position.

Das 19. Jahrhundert machte aus der Astronomie zunehmend Astrophysik, also die Untersuchung physikalischer Eigenschaften der Himmelskörper. Wilhelm Herschel entdeckte 1800 die Infrarotstrahlung der Sonne. Josef Fraunhofer beschrieb 1813 Fraunhofer-Linien und erfand 1814 das Spektroskop. Kirchhoff und Bunsen erklärten 1859 Absorptionslinien durch Vorgänge in Gasatomen und -Molekülen. Spektren erlaubten die Einteilung von Sternen; Williamina Fleming, Antonia Maury und Annie Jump Cannon entwickelten ab 1890 Spektralklassen.

Astrofotografie ergänzte das Auge: John William Draper gelang 1840 die erste Mondaufnahme. Lange Belichtungen machten schwache Nebel, Dunkelnebel, Kleinplaneten und umfassende Kataloge wie den NGC zugänglich. Friedrich Wilhelm Bessel wies 1838 bei 61 Cygni eine Fixsternparallaxe von 0,30" ± 0,02" nach und folgerte 10 Lichtjahre Entfernung. Damit war die Entfernung der Sterne messbar.

Moderne Astronomie und Gegenwart

Im 20. Jahrhundert wurde klar, dass Andromeda eine Galaxie außerhalb der Milchstraße ist (Edwin Hubble, 1923), und dass das Universum expandiert. Georges Lemaître verband 1927 Rotverschiebung mit Expansion; Hubble zeigte 1929 einen linearen Zusammenhang zwischen Rotverschiebung und Galaxienentfernung. Das Urknallmodell ist heute allgemein anerkannt. Die Hubble-Zeit wurde zunächst mit etwa 2 Milliarden Jahren berechnet; heute wird knapp 14 Milliarden Jahre postuliert.

Kernfusion erklärt die Energie der Sterne: Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker beschrieben 1938 die Wasserstoff-Fusion zu Helium im C-N-Cyclus. Endstadien können Neutronensterne oder Schwarze Löcher sein. Radioastronomie begann mit Sagittarius A (Karl Guthe Jansky, 1931), dem ersten Radarecho vom Mond am 10. Januar 1946 und der 3K-Hintergrundstrahlung 1964. Vera Rubins Studien seit 1960 lieferten Hinweise auf Dunkle Materie; ein direkter Teilchennachweis fehlt bis heute (2024). Ende der 1990er Jahre zeigten Typ-Ia-Supernovae die beschleunigte Expansion, die mit Dunkler Energie verbunden wird.

Raumsonden untersuchten Planeten direkt: Pioneer 10 flog 1973 erstmals an Jupiter vorbei, Pioneer 11 1979 erstmals an Saturn; Voyager 2 passierte Jupiter, Saturn, Uranus und 1989 Neptun. Weltraumteleskope wie Hubble, Chandra und Spitzer erschlossen Beobachtungen ohne atmosphärische Störung und in anderen Wellenlängenbereichen. Hipparcos vermessene über 100.000 Sterne.

Im 21. Jahrhundert bestätigten Mars-Rover ehemaliges flüssiges Wasser durch Sedimentgestein. Cassini-Huygens zeigte bei Enceladus einen unterirdischen Ozean und Wasserfontänen, die den E-Ring bilden. 2006 stufte die IAU Pluto als Zwergplanet ein. Planck-Daten vom 21. März 2013 ergaben: sichtbare Materie 4,9 %, Dunkle Materie 26,8 %, Dunkle Energie 68,3 % und Alter des Weltalls 13,82 Milliarden Jahre. Kepler (2009–2018) entdeckte tausende Exoplaneten; 2016 wurde Proxima Centauri b bekanntgegeben. LIGO wies 2015 erstmals Gravitationswellen aus der Kollision zweier Schwarzer Löcher nach. 2017 folgten GW170817 aus NGC 4993, vermutlich von zwei Neutronensternen, und die erste Sichtung des interstellaren Objekts 1I/ʻOumuamua. 2019 gelang mit dem Event Horizon Telescope das erste Foto eines Schwarzen Lochs.