1814 erkannte Joseph von Fraunhofer die Bedeutung der schwarzen Linien im Lichtspektrum der Sonne und legte damit ganz elementare Grundsteine für die Forschung, nicht nur in der Optik, sondern auch in anderen Disziplinen. Nachdem sich bereits Ptolemäus, Newton und Dollond mit der Lichtbrechung beschäftigt und grundlegende Erkenntnisse hervorgebracht haben, untersuchte vor 200 Jahren auch Fraunhofer dieses optische Phänomen. Seine Erkenntnisse beeinflussen bis heute die Astrophysik.

Was genau wurde vor 200 Jahren untersucht?

Als Wissenschaftler und Unternehmer setzte sich Fraunhofer 1814 mit der Lichtbrechung sowie der Herstellung von hochwertigem Glas auseinander, analysierte die Zusammensetzung des Rohmaterials und bearbeitete es. Er produzierte Linsen sowie Prismen und setzte sie zur spektralen Untersuchung des Sonnenlichts ein. Das Spektrum der Sonne erstreckt sich vom infraroten über den sichtbaren bis hin zum ultravioletten Wellenlängenbereich. Fraunhofer entdeckte wie andere Wissenschaftler bereits 12 Jahre zuvor auch die dunklen Streifen im Lichtspektrum, jedoch gingen seine Erkenntnisse weiter. Er untersuchte auch andere Lichtquellen und fand in deren Spektren keine dunklen Linien, weshalb er zu dem Schluss kam, dass diese Streifen eine wesentliche Eigenschaft des Sonnenlichts sein müssen. Als Erster erkannte er somit diese Grundlage in der Natur des Sonnenlichts. Fraunhofer führte sorgfältige Messungen der Wellenlängen der insgesamt 574 Spektrallinien durch und benannte die Linien präzise.

Mit seinen Erkenntnissen über das Licht und der Analyse der spektralen Bestandteile legte der Wissenschaftler die Grundlage für viele weitere Entwicklungen und Entdeckungen. Ganz unmittelbar wurden größere astronomische Linsenfernrohre entwickelt, die Fraunhofer bekannt machten. Mithilfe seiner Entdeckungen konnte er die Qualität und Auflösung der Fernrohre erheblich verbessern. Er stellte ein eigens konstruiertes Prismenfernrohr zur Untersuchung des Lichts von Sternen und Planeten auf, in deren Spektren er ebenfalls Linien erkannte. Er ist damit der erste Wissenschaftler, der ein Fernrohr mit einem Prisma vereinte. In der Folge gelang es, die Spektren verschiedener, auch lichtschwächerer Sterne aufzuzeichnen.

Was bedeuten nun die dunklen Linien im Spektrum der Sonne?

Etwa um das Jahr 1860 konnten Kirchhoff und Bunsen mithilfe der Aufzeichnungen Fraunhofers erklären, wie diese Streifen in den einzelnen Spektren entstanden sind. Die Linien entstehen durch resonante Absorption des Lichts durch die Gasatome in der Photosphäre der Sonne. Das Licht kommt nicht vollständig bei uns auf der Erde an. Auf dem Weg durch die Gasschicht werden Teile des Sonnenlichts von bestimmten chemischen Elementen absorbiert. Im durchscheinenden Licht fehlen dann entsprechende Bestandteile des Lichtspektrums, wobei jedes Element für sich charakteristisch Lichtteile auffängt und somit ein charakteristisches Linienspektrum entsteht. Die dunklen Linien lassen also erkennen, dass bestimmte Anteile aus dem Lichtspektrum auf dem Weg zum Beobachter absorbiert worden sind. Es lässt sich damit analysieren, welche Gase in der Atmosphäre der Erde und der Sonne vorkommen. Mit der Erkenntnis, dass die Linien ein bestimmtes chemisches Element kennzeichnen, konnten Kirchhoff und Bunsen im Rahmen der Spektralanalyse den chemischen Aufbau der Sonne bestimmen.

Warum ist das heute wichtig?

Die von Fraunhofer gewonnenen Erkenntnisse werden heute oft zur Bestimmung der Brechungseigenschaften von optischen Materialien genutzt, also verschiedener Glassorten mit unterschiedlichen Beschichtungen. Neben der Anwendung in der Optik ebneten die Fraunhofer’schen Linien zudem aber auch den Weg für die Astrophysik.

Seine Entwicklungen tragen dazu bei, dass wir immer mehr über den Weltraum erfahren können. Dank der von Fraunhofer entwickelten teleskopischen Instrumente konnte kurz nach dessen Tod der Astronom Bessel nachweisen, dass die Sonne im Zentrum des Sonnensystems steht und sich alle Planeten um sie drehen. Das kopernikanische System zu belegen, gelang Bessel durch die Betrachtung eines Fixsterns und der Winkelverschiebungen – erst mit den von Fraunhofer entwickelten Fernrohren war diese genaue Analyse möglich.

Während man vor Fraunhofers Entdeckungen noch davon ausging, dass es den Menschen nie gelingen würde, herauszufinden, aus welchen Elementen andere Sterne bestehen, werden die Fraunhofer’schen Linien in der Spektroskopie heute genutzt, um die Zusammensetzung von Sternen zu bestimmen. Letztlich konnte auf dieser Grundlage festgestellt werden, dass alle Elemente, die es auf der Erde gibt, auch auf anderen Planeten und Sternen vorkommen. Dank der spektroskopischen Werkzeuge Fraunhofers konnte also nachgewiesen werden, dass wir tatsächlich in einem Universum leben, in dem es überall die gleichen Elemente gibt. Eine weitreichende Erkenntnis für alle wissenschaftlichen Disziplinen. Auf dieser Grundlage kann man auch davon ausgehen, dass die Gesetze, die auf der Erde anwendbar sind, vermutlich auch auf anderen Planeten und Sternen gelten.

In der Astrophysik werden diese Verfahren heute genutzt, um sowohl die Bewegung als auch das Alter von Sternen und ganzen Galaxien zu bestimmen. Durch Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass sich Galaxien entfernen und sich das Universum ausdehnt. Im Rahmen der stellaren Archäologie versucht man so auch, detaillierte Informationen über die Entstehung des Universums vor gut 13,3 Milliarden Jahren und die Geschichte der Welt zu erhalten. Alle Erkenntnisse, die die Astrophysik über Vergangenheit und Zukunft unseres Universums hervorbringt, gewinnt sie aus dem Licht kosmischer Objekte. Die Meilensteine der Astronomie gehen somit zurück auf die Untersuchungen Fraunhofers.

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