Der Dopplereffekt

 Nur wenige Theorien haben unser Wissen über den Kosmos so vorangebracht wie der Dopplereffekt, benannt nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler, der diesen Effekt im 19. Jahrhundert entdeckte. Er hatte festgestellt, dass sich die von einer Schallquelle zurückgeworfenen Töne verändern, je nachdem, ob sich diese von den Beobachtenden entfernt oder auf sie zu bewegt. 1842 formulierte Doppler eine Theorie, wonach dieses Prinzip auch auf die Optik zutraf, und bereitete damit der Hypothese von der Ausdehnung des Universums den Weg.

Wellen im All

Im Alltag kannst du den Dopplereffekt erleben, wenn sich ein hupendes Auto nähert. Fährt es auf dich zu, hörst du einen höheren Hupton. Entfernt es sich, nimmst du den Ton tiefer wahr. Christian Doppler (1803-1853) entdeckte, dass diese Tonhöhenänderung auf den Wellencharakter des Schalls zurückzuführen ist. Nähert sich das hupende Auto, verdichten sich die Schallwellen. In Bezug auf den Beobachter wird ihre Wellenlänge, der Abstand zwischen zwei Wellen, kürzer, während sich die Frequenz erhöht, wodurch die Tonhöhe anzusteigen scheint. Entfernt sich das Auto, dehnen sich die Wellen wieder aus, der Abstand zwischen ihnen vergrößert sich und der Hupton klingt tiefer.

Doppler übertrug diese Gesetzmäßigkeit auf Lichtwellen und formulierte eine Theorie. Danach steigt die Frequenz von Lichtwellen, wenn sie sich dem Beobachter nähern und verringert sich, wenn sie sich vom Beobachter entfernen. Aufgrund früherer Experimente mit Personen war zu vermuten, dass sich dabei auch die Farbe des Lichts veränderte, es sich also bei höheren Frequenzen nach violett verschob und bei niedrigeren Frequenzen nach rot. Da Doppler wusste, dass sich Lichtwellen sehr viel schneller fortpflanzen als Schallwellen, nahm er an, dass man in der Optik solche Wellenveränderungen nur bei Objekten messen könnte, die sich enorm rasch fortbewegen – Sterne zum Beispiel.

Rot oder Violett?

1842 veröffentlichte Doppler eine Arbeit mit dem Titel: Über das farbige Licht der Doppelsterne. Darin zeigte er, wie man die Farbverschiebung anhand der Beobachtung der Farbveränderungen in einem Doppelstern-System – zwei Sterne, die einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen – messen könnte. Bewegte sich einer der Sterne auf die Erde zu, so Doppler, dann würde er uns blauer erscheinen, bewegte er sich weg, müsste er röter werden, da sich die Frequenzen des von ihm abgestrahlten Lichtes während der Bewegung veränderten. Damit war er auf der richtigen Spur, aber mit bloßem Auge lassen sich diese winzigen Farbveränderungen nicht ausmachen. Wenig später stellte sich heraus, dass Elemente Licht unterschiedlicher Frequenzen absorbieren, was sich im Lichtspektrum durch charakteristische schmale dunkle Linienmuster zeigte. Als man die Anordnung dieser Absorptionslinien von irdischen Lichtquellen mit denen von Sternen verglich, wurde Dopplers Theorie bestätigt. In den Spektren von Sternen, die sich auf die Erde zu bewegen, erfolgt eine Verschiebung in Richtung violett; bewegen sie sich in der Gegenrichtung, verschiebt sich das Spektrum nach rot. Dass der Dopplereffekt auch im Weltraum gültig ist, wurde erstmals 1868 nachgewiesen. Der britische Astronom William Huggins hatte das Licht des erdnahen Sirius analysiert und berechnet, dass sich dieser Stern mit etwa 48 km/Sek. auf die Erde zu bewegt. Tatsächlich beträgt die Geschwindigkeit nur 8 km/Sek. In den 1920er Jahren analysierte ein Astronomenteam unter der Leitung von Edwin Hubble über einen Zeitraum von zehn Jahren die Rotverschiebungen von Tausenden von Galaxien und verglich diese mit den Rotverschiebungen von Sternen, deren Erdentfernung bereits bekannt war. Dabei zeigte sich, dass Galaxien umso schneller auseinanderdriften, je weiter entfernt sie von uns liegen. Offenbar dehnt sich das Universum also aus.

Perspektiven für den Dopplereffekt Seit den 1920er Jahren, als mit dem Dopplereffekt die Ausdehnung des Universums nachgewiesen wurde, spielt die von Christian Doppler entdeckte Erscheinung bei der Erforschung des Weltraums eine zentrale Rolle. Das Phänomen gilt nämlich in gleicher Weise für alle Wellen des elektromagnetischen Spektrums, darunter Radio- und Röntgenwellen.

Mit entsprechenden Instrumenten lassen sich daher Doppler-Verschiebungen von Objekten messen, die optischen Teleskopen verborgen bleiben. Solche Objekte sind etwa die riesigen Gaswolken, die einen Großteil der Milchstraße ausmachen. Diese Wolken, die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen, senden kein Licht aus, sind aber starke Radioquellen. Wenn du ein Radioteleskop auf bestimmte Wolkenregionen trainierst und die Doppler-Verschiebungen von Bereichen misst und miteinander vergleichst, ergibt sich ein Bild von der Struktur der Galaxie. Und da die Geschwindigkeiten der darin enthaltenen Objekte je nach ihrer Entfernung vom Mittelpunkt variieren, kannst du die Entfernung einer Gaswolke allein aufgrund ihrer Doppler-Verschiebung bestimmen. Planetenforscher*innen verhalf der Dopplereffekt zu einer genaueren Vorstellung von der Venus. Deren Oberflächenmerkmale und Drehbewegung waren bis dahin unter der dichten Atmosphäre verborgen. Über eine Messung der Doppler-Verschiebung von Radiowellen, die von der Venusoberfläche zurückprallten, konnte man feststellen, dass sie von Ost nach West rotiert und sich alle 243 Erdentage einmal um ihre eigene Achse dreht. Mit der Entwicklung neuer Bereiche der Astronomie verbesserte sich auch zunehmend die Messgenauigkeit der Spektralapparate, mit denen der Dopplereffekt ermittelt wurde. Heutzutage lassen sich Doppler-Verschiebungen von Bewegungen nachweisen, die nur wenige Meter pro Sekunde betragen – also Schritttempo. So können Astronom*innen das Vorhandensein von Planeten ableiten, die um Sterne herum kreisen.

Künftig dürfte es anhand der Messung der Doppler-Verschiebung starker Radiowellen, die von der Erde ins All gesendet und von Objekten im Weltraum zurückgestrahlt werden, möglich sein, bis in die entferntesten Winkel des Universums vorzudringen. Vielleicht kann der Dopplereffekt sogar in Frühwarnsystemen genutzt werden, um die Erde bedrohende Kometen und Asteroiden rechtzeitig zu entdecken und zu zerstören, bevor sie allzu weit in unser Sonnensystem eindringen. Und vielleicht werden Christian Dopplers Erkenntnisse über das Verhalten von Wellen womöglich eines Tages dazu beitragen, unseren Planeten vor dem Untergang zu retten.