Das neue Bild des Kosmos

Von Tycho Brahe zu Galileo Galilei

Obwohl sich die Menschen schon früh in der Geschichte für die Sonne und andere Himmelskörper interessierten, machte die Astronomie in Europa bis zum 16. Jahrhundert kaum Fortschritte. Die Wissenschaften unterstanden dem Einfluss der Kirche, sie bestimmte, was richtig und was falsch war. Das änderte sich, als man Phänomene am Himmel entdeckte, die sich nicht in die bisherigen Erklärungsmodelle einfügten und ein völlig neues Weltbild erforderlich machten.

Bis ins 16. Jahrhundert hinein unterlag das Weltbild der Deutungshohheit der Kirche: Die Erde ist das Zentrum des Kosmos, der Mensch steht im Mittelpunkt des Universums. Wer an den vermeintlich ewigen Wahrheiten rüttelte und eine Theoriebildung auf Basis von genauen Beobachtungen und Berechnungen anstrebte, sah sich schnell im Konflikt mit dem Vatikan.

Geozentrisches Weltbild als Sphärenmodell
Das geozentrische Weltbild mit unveränderlichen Sphären Quelle: Danish Doc

Erde im Mittelpunkt

Die Kirche vertrat das geozentrische Weltbild, das von Aristoteles entwickelt und dem Griechen Ptolemäus im 2. Jahrhundert nach Christus verfeinert wurde. Es stellt die Erde ins Zentrum des Sonnensystems, umhüllt von festen Sphären aus durchsichtigem Kristall: In den Sphären kreisen die fünf damals bekannten Planeten, Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn, ebenso wie die Sonne. Auf der äußeren Schale befinden sich die Fixsterne, darüber der Himmel der Heiligen. Doch nun, in der Ära der Seefahrer und Entdecker, der Reformationsbewegung und des Buchdrucks, war die Zeit reif für Veränderungen, und die ersten Zweifel an dem von oben verordneten Weltbild waren gesät.

In der zweiten Hälfte des 16. Jahrhunderts forschte in Dänemark Tycho Brahe, einer der bedeutendsten Astronomen jener Zeit. Er stand in der Gunst des aufgeklärten dänischen Königs Frederick II., was ihm erlaubte, ungehindert seiner Obsession nachzugehen: der Vermessung des Himmels. Brahe verfügte über die größten und genauesten astronomischen Geräte seiner Zeit. Unterstützt von einem Stab Spezialisten dokumentierte er jede Nacht den Verlauf der Gestirne. Noch gab es keine Teleskope, doch Brahe war ein herausragender Beobachter.

Ein neuer Stern am Firmament

Eines Nachts im Jahre 1572 entdeckte er am Nachthimmel im Sternbild der Kassiopeia ein neues, helles Licht, das ihn zutiefst verblüffte. Ein neuer Stern schien aufgegangen zu sein, und das in den angeblich unveränderlichen Kristallsphären! Brahe wusste um die Brisanz seiner Entdeckung. Das beobachtete Phänomen ließ nur eine Schlussfolgerung zu: Die Standorte der Sterne waren nicht fix und die Sphären waren nicht unveränderlich, sondern konnten von den Bahnen anderer Himmelskörper durchschnitten werden. Somit brauchte man sie für ein klares, elegantes Weltbild nicht mehr.

Heute wissen wir, was Tycho Brahe in Aufregung versetzt hatte. Das Licht von damals wurde von einer Staubwolke im All reflektiert, und so konnten es die Astronomen 2008 noch einmal beobachten: Es war kein neuer Stern. Brahe hatte die Explosion eines sterbenden Sterns gesehen - eine Supernova. Mit modernen Teleskopen lassen sich die Spuren dieser Explosion immer noch studieren. Aber noch weitere Ungereimtheiten bereiteten den Astronomen seit jeher Kopfzerbrechen. Allen voran war da die merkwürdige Bahn des Planeten Mars. Etwa alle zwei Jahre scheint der Mars in einer Schleife rückwärts zu laufen. Auch schon andere Forscher hatten versucht, dafür eine Erklärung zu finden.

Theorie der Planetenbahnen

Tycho Brahe suchte nun nach einem möglichst einfachen Modell für dieses Phänomen. Schon 30 Jahre zuvor hatte der polnische Gelehrte Nikolaus Kopernikus Revolutionäres formuliert. Statt der Erde stellte er die Sonne ins Zentrum des Planetensystems. Doch Brahe scheute diesen radikalen Schritt und konstruierte stattdessen ein Hybrid-Weltbild: Die Erde bleibt im Mittelpunkt seines Universums. Alle anderen Planeten verweist er auf Bahnen um die Sonne. Die Sonne kreist schließlich samt ihren Trabanten um die Erde. Tycho Brahes Weltbild lieferte erstaunlich genaue Vorhersagen zum Verlauf der Planeten - und war doch falsch.

Als ein neuer dänischer König den Thron bestieg und Tycho Brahe die Mittel entzog, verließ der Astronom 1597 Dänemark bei Nacht und Nebel. Zuflucht fand er im liberalen Prag, wo er sich unter Kaiser Rudolf II. den Posten eines Hofmathematikers sicherte. Ein Glücksfall für die Wissenschaft, denn Prag bot auch dem Religionsflüchtling Johannes Kepler die Freiheit, sein neues Bild von der Welt weiterzuentwickeln. 1600 kam es zur Begegnung der beiden Koryphäen. Als Tycho Brahe ein Jahr später starb, wurde Kepler sein Nachfolger und gelangte so an dessen umfangreichen Datenschatz. Mit dem kühlen Geist eines Mathematikers machte er sich an die Analyse.

Kepler zeichnet mit dem Zirkel (Spielszene)
Johannes Kepler bei astronomischen Studien (Spielszene) Quelle: Danish Doc

Beginn der modernen Astronomie

Nach acht Jahre dauernden Berechnungen war er sich sicher: Die Sonne musste im Zentrum stehen, und alle Planeten ziehen ihre Bahnen um das Zentralgestirn. Kepler las aber noch mehr aus den umfangreichen Beobachtungsdaten: Die Planetenbahnen sind keine Kreise, sondern Ellipsen. Die Sonne steht nicht genau im Zentrum. Und die Bahngeschwindigkeiten der Planeten sind nicht konstant, vielmehr nehmen sie mit der Nähe zu Sonne zu. Das heliozentrische Weltbild, das Kopernikus entwickelt hatte, war nun schlüssig und lieferte extrem genaue Vorhersagen.

Mit diesen drei Gesetzen der Planetenbewegung, die wir heute als Keplersche Gesetze kennen, lässt sich endlich auch die sonderbare Bahn des Mars erklären: Die Erde hat auf ihrer Bahn um die Sonne einen kürzeren Weg. Alle zwei Jahre überholt sie den Mars auf dieser Innenbahn. Von der Erde aus gesehen scheint der Mars deshalb eine Weile rückwärts zu laufen, bevor er in einer Schleife wieder auf seinen ursprünglichen Kurs einschwenkt. Keplers Analyse der Daten von Tycho Brahe war ein Triumph der Mathematik und der Beginn der modernen theoretischen Astronomie. Von nun an gebührte der Sonne die Stellung im Zentrum unseres Planetensystems - der erste und vielleicht entscheidende Sieg des wissenschaftlichen Geistes über das Dogma der Kirche.

Bahnbrechende Erfindung

Teleskop von Galileo Galilei
1609 baute Galilei das erste Teleskop. Quelle: ap

Zu Beginn des 17. Jahrhundert blühte in Florenz das kulturelle und wissenschaftliche Leben. Eines der größten Genies der Neuzeit erforschte die Gesetze der Natur: Galileo Galilei. Als Universalgelehrter interessierte ihn sowohl das Experiment als auch die Theorie. Er beschrieb die Gesetzmäßigkeiten der Bewegungen von Körpern und erforschte das seltsame Phänomen der Schwerkraft. Für seine Experimente konstruiert er manches Instrument selbst. Als er von eigenartig geschliffenen Gläsern hörte, baute er daraus das erste Teleskop. Das geschah 1609, vor genau 300 Jahren, und bedeutete eine Revolution für die junge Wissenschaft der Astronomie.

Galileis erstes Studienobjekt war der Mond. Das Teleskop enthüllte Details, die sich bislang nur erahnen ließen. Sorgfältig kartografierte er die Kraterlandschaft der Mondoberfläche. Zudem entdeckte er die vier größten Monde des Jupiters und damit die ersten Himmelkörper, die ganz offensichtlich nicht um die Erde kreisten. Galilei erkannte sofort, welche Möglichkeiten das Teleskop ihm eröffnete. Durch seine Korrespondenzen mit Fachkollegen, auch mit Johannes Kepler, ahnte er, dass nun der experimentelle Beweis für das neue heliozentrische Weltbild möglich sein musste.

Galileos Widerruf

Wenn die Planeten um die Sonne kreisten, so musste auch die Venus, ähnlich wie der Mond, Phasen zeigen. Die Oberfläche der Venus wird auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterschiedlich erhellt: Mal ist sie nur halb beleuchtet, mal vollflächig angestrahlt (diese "volle" Venus ist von der Erde aus aber niemals zu sehen, da sie dann "hinter" der Sonne steht). Auch die scheinbare Größe der Venus ändert sich, da sie auf ihrer Umlaufbahn der Erde mal näher oder ferner ist. Und tatsächlich konnte Galilei Galilei, als er 1610 sein Teleskop auf die Venus richtete, die Größenänderung der Venus in ihren unterschiedlichen Phasen beobachten. Vernünftige Geister konnten jetzt nicht mehr am neuen Weltbild zweifeln.

An seinem berühmten Hauptwerk, dem "Dialog über die zwei wichtigsten Weltsysteme", schrieb Galilei 20 Jahre. Darin trägt er seine Argumente für das heliozentrische Weltbild geschickt in Form fiktiver Gesprächsinhalte vor. Rom entging die Veröffentlichung dieses Werkes nicht, denn Galileo war einer der bedeutensten Gelehrten seiner Zeit. Eine päpstliche Kommission analysierte Galileis Werk, bald nachdem es in Florenz gedruckt worden war - und empörte sich. Die Haltung eines so angesehenen Mannes wie Galilei konnte man nicht ignorieren. So wurde der mit 68 Jahren alte und gebrechliche Wissenschaftler vor die Inquisition zitiert und dazu gezwungen, seinen Theorien abzuschwören. Doch dieser Triumph des Klerus war von kurzer Dauer. Der aus Sicht der Kirche ungeheuerliche Gedanke, dass statt der Erde die Sonne im Zentrum des damals bekannten Unversums steht und die Planeten um die Sonne kreisen - dies war von nun an nicht mehr eine ketzerische Idee, sonderen eine wissenschaftlich belegte Theorie.

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