Wie Astronomen Entfernungen messen

Warum Entfernungen schwierig sind

Am Nachthimmel scheint jeder Stern gleich weit entfernt zu sein, wie auf eine Kuppel gemalt. Ein lichtschwacher Stern kann schwach sein, weil er weit weg ist, oder weil er klein ist. Ohne Entfernungen zu kennen, wissen wir nicht, wie groß oder hell etwas wirklich ist.

Astronomen haben dieses Problem Schritt für Schritt gelöst. Methoden, die in der Nähe funktionieren, dienen zur Kalibrierung von Methoden mit größerer Reichweite. So entsteht die sogenannte kosmische Entfernungsleiter. Unser Ratgeber zum Lichtjahr erklärt die Einheiten; hier sehen wir uns an, wie jede Sprosse funktioniert.

Radar und Laser: das Sonnensystem

Der direkteste Weg, eine Entfernung zu messen, ist, ein Signal auszusenden und die Laufzeit seines Echos zu stoppen. Seit den 1960er-Jahren werfen Radioteleskope Radarsignale auf Venus, Mars und Asteroiden. Da sich Radiowellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ergibt die Hin- und Rücklaufzeit die Entfernung.

Diese Messungen legten die Astronomische Einheit fest, den mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne. 2012 setzte die Internationale Astronomische Union sie auf genau 149.597.870,7 km fest.

Beim Mond schießen Wissenschaftler Laserstrahlen auf Reflektoren, die Apollo-Astronauten und sowjetische Rover dort zurückgelassen haben. Die Laufzeit des zurückkehrenden Lichts liefert die Mondentfernung auf etwa 2,5 cm genau.

Parallaxe: die nahen Sterne

Halten Sie einen Finger vor Ihr Gesicht und schließen Sie abwechselnd das eine und das andere Auge. Der Finger springt vor dem Hintergrund hin und her. Diese Verschiebung ist die Parallaxe, und je näher das Objekt, desto größer der Sprung.

Astronomen machen dasselbe mit der Erdbahn. Sie beobachten einen Stern im Abstand von sechs Monaten, wenn die Erde auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne steht, und messen, wie weit er sich vor ferneren Sternen verschiebt. Einfache Geometrie liefert dann die Entfernung. Ein Stern, der sich um eine Bogensekunde verschiebt, ist ein Parsec entfernt, etwa 3,26 Lichtjahre.

Die Verschiebungen sind winzig; selbst der nächste Stern bewegt sich um weniger als eine Bogensekunde. Friedrich Bessel maß 1838 als Erster eine Sternparallaxe. Die ESA-Sonde Gaia, die 2025 ihre Beobachtungen beendete, bestimmte Positionen und Parallaxen von fast 2 Milliarden Sternen und lieferte die detaillierteste 3D-Karte unserer Galaxis.

Standardkerzen: Cepheiden

Jenseits unserer Galaxis versagt die Parallaxe, deshalb greifen Astronomen auf Standardkerzen zurück, Objekte, deren wahre Helligkeit bekannt ist. Vergleicht man sie damit, wie hell sie erscheinen, erhält man die Entfernung, so wie eine Straßenlaterne umso schwächer wirkt, je weiter sie entfernt ist.

Cepheiden sind pulsierende Riesensterne, die in einem regelmäßigen Rhythmus heller und dunkler werden. 1912 entdeckte Henrietta Swan Leavitt: Je länger der Zyklus eines Cepheiden, desto größer seine wahre Helligkeit. Misst man die Periode, kennt man seine tatsächliche Leuchtkraft.

In den 1920er-Jahren zeigte Edwin Hubble mithilfe von Cepheiden in der Andromedagalaxie, dass sie weit außerhalb der Milchstraße liegt. Heute messen die Weltraumteleskope Hubble und Webb Cepheiden in Galaxien in etwa 100 Millionen Lichtjahren Entfernung.

Supernovae vom Typ Ia und Rotverschiebung

Um noch weiter zu kommen, braucht man eine hellere Kerze. Eine Supernova vom Typ Ia ist die Explosion eines Weißen Zwergs und kann auf ihrem Höhepunkt eine ganze Galaxie überstrahlen. Diese Explosionen erreichen eine ähnliche Maximalhelligkeit, die sich anhand von Galaxien kalibrieren lässt, in denen auch Cepheiden vorkommen.

Supernovae vom Typ Ia sind über Milliarden Lichtjahre hinweg sichtbar. 1998 entdeckten zwei Teams mit ihrer Hilfe, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, eine Arbeit, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Für die entferntesten Galaxien setzen Astronomen auf die Rotverschiebung. Während sich der Raum ausdehnt, wird das Licht, das ihn durchquert, zu längeren, röteren Wellenlängen gedehnt. Hubble fand heraus, dass fernere Galaxien größere Rotverschiebungen haben; misst man also die Rotverschiebung einer Galaxie und nimmt ein Modell der kosmischen Expansion hinzu, erhält man ihre Entfernung. Das Licht der fernsten von Webb beobachteten Galaxien wurde um mehr als das Zehnfache gedehnt.

Eine Leiter mit einem Rätsel

Jede Sprosse hängt von der darunter ab. Radar bestimmt die AE, die AE die Parallaxe, die Parallaxe kalibriert die Cepheiden, die Cepheiden kalibrieren die Supernovae, und die Supernovae reichen weit genug, um die Hubble-Konstante zu messen, also die Rate, mit der sich das Universum ausdehnt.

Stand 2026 gibt es eine hartnäckige Unstimmigkeit, die sogenannte Hubble-Spannung. Messungen mit der Entfernungsleiter ergeben etwa 73 km/s pro Megaparsec, während Vorhersagen aus dem Nachglühen des frühen Universums etwa 67 liefern. Forscher testen andere Standardkerzen, etwa die hellsten Roten Riesen, um herauszufinden, ob die Lücke ein Messfehler oder ein Zeichen neuer Physik ist.

Sie können die Parallaxe selbst ausprobieren: Fotografieren Sie ein nahes Objekt vor einer fernen Skyline von zwei Punkten mit bekanntem Abstand aus und berechnen Sie, wie weit es entfernt ist. Das ist dieselbe Geometrie, die Astronomen verwenden, nur in viel kleinerem Maßstab.