8 Die Rotverschiebung

Warum ist die Rotverschiebung in der Kosmologie so wichtig? Weil wir messen, daß fast alle kosmischen Objekte rund um uns eine Rotverschiebung aufweisen. Mit ihrer Hilfe schätzt man derzeit die Abmessungen des sichtbaren Universums. Welche Arten von Rotverschiebung gibt es und wie wirken sie sich aus?
Zentraler Punkt: die von Marmet beschriebene Rotverschiebung durch leicht inelastische Kollision von Photonen mit molekularem Wasserstoff H2 im Weltraum.

8.1 Was ist Rotverschiebung?

Rotverschiebung der Spektrallinien
oben: Sonne
unten: Supergalaxienhaufen (BAS11)
Quelle: Wikipedia

Zuerst: was versteht man unter "Rotverschiebung"? Im Bild sehen wir oben das Spektrum unserer Sonne. Es ist kein kontinuierliches Lichtspektrum, es enthält die von Fraunhofer entdeckten Absorptionslinien. Diese entstehen, wenn ein Gas durch weißes Licht angeregt, durch Resonanzapsorption bestimmte Wellenlängen absorbiert. Jede Spektrallinie entspricht einem ganz bestimmten Energieniveau der Elektronen im Atom. Die Verteilung der Spektrallinien ist so charakteristisch wie ein Fingerabdruck.

Wenn diese charakteristische Verteilung der Spektrallinien zu längeren Wellenlängen hin verschoben ist wie im unteren Spektrum, spricht man von Rotverschiebung. Damit kann man also eindeutig feststellen, ob eine Lichtquelle gelb leuchtet oder ob ihr Licht vom Blauen ins Gelbe verschoben wurde.

Es gibt verschiedene Ursachen für die Rotverschiebung. Am längsten kennt man die durch den Dopplereffekt verursachte, aber es gibt auch noch andere. Diese müssen ebenfalls betrachtet werden, bevor man ein kosmologisches Modell darauf aufbaut.

8.2 Doppler Rotverschiebung

Der Dopplereffekt führt zu einer Rotverschiebung. Das heißt, wenn eine Lichtquelle von uns weg fliegt, werden die Wellen gewissermaßen gedehnt, sodaß wir röteres Licht sehen; die Spektrallinien sind ins Rote verschoben. Umgekehrt beobachtet man bei sich nähernden Lichtquellen eine Blauverschiebung. Ähnlich wie beim Polizeiwagen, der an einem vorbeifährt. Solange er auf uns zufärt, klingt die Sirene höher; wenn er sich entfernt, tiefer.

Dies ist die "klassische" Rotverschiebung. Edwin Hubble entdeckte 1929, dass das Licht ferner Sterne um so stärker rotverschoben ist, je weiter sie von uns entfernt sind. Er interpretierte diese Rotverschiebung zunächst als Dopplereffekt, d.h. als Fluchtgeschwindigkeit. Wenn man dies tut, dann müsste sich das Weltall unentwegt ausdehnen, da alle Sterne vor uns fliehen. Beim gegenwärtigen Big Bang Modell (Urknall - Hypothese) lässt man die Doppler Rotverschiebung als einzige und dominierende Rotverschiebung zu. Neuerdings bevorzugt man in der Kosmologie den Begriff "kosmologische Rotverschiebung". Sie funktioniert im Prinzip genauso, nur entfernt sich der Polizeiwagen nicht dadurch dass er fährt, sondern er steht, aber die Straße verlängert sich von selber durch Expansion. Auf diese grotesk unphysikalische Erklärung werde ich im Kapitel Kosmologie eingehen.

8.3 Marmets Rotverschiebung durch Wechselwirkung

Allgemein gesprochen: Licht ist eine Energieform. Als solche muss es mit anderen Energieformen, z.B. Materie, wechselwirken, d.h. Energie austauschen. Beim Licht geht das nur über eine Frequenzänderung, also muss Licht, das mit Materie wechselwirkt, röter werden. Und zwar um so röter, je länger der Weg ist, auf dem das Licht die Gelegenheit dazu hat.
Es muss also einen Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie geben, der zur Rotverschiebung führt (WW-Rotverschiebung). Schließlich ist das Licht kein Perpetuum Mobile. Es ist ein physikalisches Grundgesetz, dass es keine abgeschlossenen Prozesse geben kann. Alle Energieformen wechselwirken mit einander, tauschen Energie aus und wandeln sich ineinander um. Das ist der Grund, warum ein Perpetuum Mobile unmöglich ist. Wir müssen also nach physikalischen Erklärungen für eine solche Wechselwirkung (Licht-Elektron, Licht-Atom, Licht-Plasma) suchen, wobei das Licht dabei nur sehr wenig gestreut werden darf.

Diese theoretisch unbedingt geforderte Rotverschiebung erklärt Marmet in der physikalischen Realität.

A New Non-Doppler Redshift
Semi-classical physics can explain a slightly inelastic collision of photons due to traces of hydrogen in outer space. These inelastic collisions are responsible for an observed redshift which is undistinguishable from the cosmological redshift. Numerous observations give strong supporting evidence for that previously ignored natural phenomenon.

In seinem Artikel beschreibt er (offenbar als erster) eine Ursache für eine Rotverschiebung, einen Effekt, der bisher ignoriert wurde: die leicht inelastische Kollision von Photonen mit molekularem Wasserstoff H2 im Weltraum. Er rechnet vor, daß diese Rotverschiebung das gleiche Verhalten zeigt wie die Dopplerverschiebung - sie folgt ebenfalls der Beziehung:

Δν / ν

Formelmäßig ist sie nicht von der Doppler Rotverschiebung unterscheidbar!

Der Mechanismus, der zu dieser Rotverschiebung führt, ist folgendermaßen zu erklären. Das Licht hat einen Impuls. Wenn ein Photon mit einem Elektron des interstellaren Wasserstoffs kollidiert, wird dieser Impuls übertragen und führt zu einer Beschleunigung des Elektrons. Wir wissen, daß beschleunigte Ladungen strahlen. Das Elektron strahlt also während der Zeit, in der es beschleunigt wird und die der Koheränzzeit des Lichtes entspricht, Energie ab. Diese Energie wird dem Licht entzogen, was wegen der Beziehung

E=h*ν

die Frequenz verringert. Niedrigere Frequenz bedeutet Rotverschiebung.

Gibt es aber genug Wasserstoff im Universum? Man sagt, Wasserstoff sei leicht nachzuweisen anhand der 21cm-Linie, aber das gilt nur für atomaren Wasserstoff. Weit häufiger ist hingegen molekularer Wasserstoff H2, da sich die extrem reaktionsfreudigen H-Atome gerne zu H2 - Molekeln verbinden. Der molekulare Wasserstoff ist nun extrem transparent, und er hat keine 21cm-Emissionslinie. Er ist also sehr schwer nachzuweisen und wurde deshalb bisher übersehen, obwohl Wasserstoff die häufigste Materie im Universum ist. Man fordert die Existenz dunkler Materie, um das Rotationsverhalten von Galaxien zu erklären, dabei entpuppt sich diese als molekularer Wasserstoff. In Discovery of H2 in Space Explains Dark Matter and Redshift gibt Marmet dazu eine Abschätzung und kommt zu dem Schluss: Molecular hydrogen, difficult to detect and long ignored, is now shown to exist in sufficient quantity to explain Dark Matter and the cosmological redshift.

Die Entdeckung dieser neuen Rotverschiebung hat einen großen Einfluss auf unser Weltbild. Die Auswirkungen stelle ich im Kapitel Kosmologie vor.

Mit der neuen Rotverschiebung lassen sich mehrere bisher unerklärbare Effekte erklären. Zum Beispiel beobachtet man eine Rotverschiebung am Rand der Sonne ("solar limb"). Marmet erklärt diese in Redshift of Spectral lines in the Sun's Chromosphere. In diesem Artikel weist er auch darauf hin, dass der beschriebene Rotverschiebungs-Mechanismus dann gilt, wenn der Abstand der Atome größer als die Kohärenzlänge des Lichtes ist. D.h. der Effekt ist in einem irdischen Versuchslabor praktisch nicht nachvollziehbar.

Marmets Rotverschiebungsmechanismus hat einen interessanten Nebeneffekt. Die Photonen, die von einer fernen Quelle abgestrahlt werden, haben auf ihrem Weg nicht genau die gleiche Anzahl von Kollisionen - da spielt etwas Statistik mit. Deshalb werden die Absorptionsbanden ein wenig verbreitert bzw. unschärfer. Diesen Effekt kann man tatsächlich messen - mit dem Dopplereffekt wäre dies nicht zu erklären.

8.4 Temperaturabhängigkeit der Marmet Rotverschiebung

Eine weitere Tatsache ist bemerkenswert: Diese Rotverschiebung ist auch abhängig von der Temperatur der Lichtquelle. Wie kann man sich das vorstellen? Nun, man kann zeigen, daß die Kohärenzlänge des Lichtes um so kürzer ist, je heißer die Temperatur des strahlenden Körpers ist (Schwarzkörperstrahlung). Kürzere Kohärenzlänge heißt, es steht weniger Zeit für die Übertragung des Impulses zur Verfügung, und daher wird das Elektron stärker beschleunigt. Das wiederum bedeutet: es strahlt mehr Energie ab als bei Licht mit großer Kohärenzlänge. Also wird das Licht um so stärker rotverschoben, je heißer die Quelle ist.

Damit kann man z.B. die paradoxe Rotverschiebung bei Doppelsternen erklären. Doppelsterne: das sind zwei Sterne, die um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Man kennt eine Reihe von Sternpaaren, bei denen die beiden Partner eine deutlich unterschiedliche Rotverschiebung aufweisen. Diese Sternpaare zeichnen sich dadurch aus, dass einer der beiden sehr viel heißer ist als der andere.

Redshift in Km/s of each component of the Binary HD193567
versus the phase of rotation

Wenn man diese Rotverschiebung nur mit dem Dopplereffekt erklärt, könnten sie nicht um einander kreisen, was sie aber ganz offensichtlich tun. Dieses Problem kann man jedoch mit der oben skizzierten Temperaturabhängigkeit ganz elegant lösen: das Licht des heißeren Sterns wird stärker rotverschoben, daher scheint er nach der konventionellen Interpretation weiter weg zu sein. Die Ursache ist aber seine höhere Temperatur.

Die obige Abbildung, die ich aus Marmets Artikel Non-Doppler Redshift of Some Galactic Objects: Case of Binary Stars entnommen habe, zeigt dien Effekt für ein typisches Doppelsternsystem. Die beiden Sinuskurven, die durch die seitliche Beobachtung der beiden Partner entstehen, müssten eigentlich die gleiche Nullinie haben, da sie um den gleichen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. Da der blauere Partner aber eine stärkere Rotverschiebung aufweist, wird eine paradoxe Entfernung vorgegaukelt. In dem Artikel geht Marmet auf weitere paradoxe Effekte ein, zum Beispiel auf den K-Effekt. Heißere Sterne in der Umgebung unserer Sonne scheinen eine höhere Fluchtgeschwindigkeit zu haben als kältere. Dieses Paradoxon kann man genauso mit der Temperaturabhängigkeit der Rotverschiebung erklären.

Wenn man die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt, kommt man auch zu realistischeren Werten für Entfernung und Helligkeit der Quasare. Da Quasare extrem heiß sind, weisen sie eine größere Rotverschiebung auf als ihnen eigentlich "zustünde". Halton Arp zeigt zum Beispiel Aufnahmen von Quasaren, die über Materiebrücken mit einer benachbarten Galaxis verbunden sind, was aber nach der gegenwärtigen Lehrmeinung nicht sein darf. Dies lässt sich mit Marmet erklären, da die Rotverschiebung nicht nur von der Entfernung, sondern auch von der Temperatur der Quelle abhängt. Siehe hierzu seinen Artikel The Cosmological Constant and the Redshift of Quasars.

8.6 Müdes Licht usw.

Den Begriff "Müdes Licht" möchte ich aus historischen Gründen doch erwähnen, obwohl der Name schon einen Verstoß gegen das Gesetz der Energieerhaltung suggeriert. Wikipedia schreibt:

Fritz Zwicky bot im gleichen Jahr wie Hubble eine alternative Deutung dieser Beobachtung an, nämlich dass Licht proportional zu der zurückgelegten Entfernung Energie verliert. Er vermutete zunächst, dass eine „Gravitationsreibung“, eine Wechselwirkung mit der Materie über Schwerkraft, dafür verantwortlich sein könne. Auch der Physiker Robert Andrews Millikan lobte die Eleganz dieser Idee in einem Brief vom 15. Mai 1952 an Grote Reber: Ich stimme mit Ihnen überein, dass die Hypothese der Lichtermüdung einfacher und weniger irrational ist.“

Eine derartige Rotverschiebung ist aus heutiger Sicht abzulehnen. Man könnte allerdings auch sagen, dass Zwicky eine Rotverschiebung durch Wechselwirkung (und das ist ja Marmets Ansatz) intuitiv vorausgeahnt hat.

Eine Wechselwirkung von Licht während der Ausbreitung und Gravitation ist auszuschließen. Wie wir in Kapitel 4 und 7 gezeigt haben wird das Licht nicht auf dem Weg aus einem Gravitations - Potentialtopf rotverschoben, sondern auf dem Grund des Potentialtopfs mit längerer Wellenlänge erzeugt.

Die Streuung an Staub oder die Compton-Streuung sind zwar auch Wechselwirkungen, aber dabei würde das Bild ferner Objekte unscharf bzw. verwaschen werden. Wir sehen aber Bilder in bester optischer Qualität. Das bedeutet, dass diese beiden Effekte nur einen vernachlässigbar kleinen Anteil an der gesamten Rotverschiebung haben können.