Eine totale Sonnenfinsternis vor 100 Jahren bewies Einsteins allgemeine Relativitätstheorie

Als sich der Morgenhimmel über West-Oregon verdunkelte, zogen sich Richard Berrys drei Alpakas in ihre Scheune zurück. Das trübe Tageslicht und die kleine Menge, die sich auf der Berry Farm versammelt hatten - Schwärme von Außentürmern mit Pappsolargläsern und Quadcopter-Drohnen -, belasteten die Tiere. In der Zwischenzeit spielten Mond und Sonne ein seltenes Himmelsballett über ihren Köpfen.

Am 21. August 2017 begann die erste totale Sonnenfinsternis seit 99 Jahren, die beide Küsten der kontinentalen Vereinigten Staaten zierte. Aber Berry, ein Amateurastronom und ehemaliger Chefredakteur des Astronomy Magazine, und eine Gruppe von Studenten des Portland Community College waren nicht nur da, um die Aussicht zu genießen. Sie hatten ihre Teleskope und Kameraausrüstung vorbereitet, um das berühmteste Finsternisexperiment aller Zeiten zu wiederholen, den ersten erfolgreichen Test von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Fast einhundert Jahre vor der Großen Amerikanischen Sonnenfinsternis wagten sich zwei Astronomenteams an ferne Küsten, um eine Sonnenfinsternis zu beobachten, die eine skeptische Welt davon überzeugen würde, dass Isaac Newtons Gravitationstheorien falsch waren.

Eine Folge von Einsteins Theorie, die erstmals 1915 veröffentlicht wurde, ist, dass massive Himmelsobjekte wie die Sonne das Gefüge der Raumzeit um sich biegen - so erklärte Einstein die Anziehungskraft der Schwerkraft. Diese astrophysikalische Theorie unterscheidet sich sehr von Newtons Vorstellung von der Schwerkraft als einer anziehenden Kraft, die von allen Materien ausgeübt wird. Nach Einstein wird jedes Licht, das sich in der Nähe eines massiven Objekts bewegt, zusammen mit der Raumzeit gebogen. Anfang des 20. Jahrhunderts fand Einstein einen Weg, diese scheinbar absurde Theorie mit einer totalen Sonnenfinsternis zu demonstrieren.

Einstein stellte die Herausforderung folgendermaßen dar: Zeichnen Sie die Positionen der Sterne um die Sonne während der Totalität auf, jene kostbaren Momente, in denen das direkte Licht der Sonne vollständig vom Mond geblockt wird und die Sterne im Hintergrund sichtbar werden. Beobachten Sie dieselben Sterne, wenn es keine Sonnenfinsternis gibt. Wenn seine allgemeine Theorie relativ richtig wäre, würde sich die Position dieser Sterne geringfügig unterscheiden - eine Veränderung, die für das menschliche Auge unsichtbar, aber durch Feinmessung feststellbar ist.

Die englischen Astronomen Arthur Eddington und Frank Dyson organisierten 1919 Expeditionen auf die Insel Principe vor der Westküste Afrikas bzw. nach Sobral in Brasilien, um festzustellen, ob Einstein Recht hatte. Der schicksalhafte Tag war der 29. Mai. Sobald sie ihre Ergebnisse veröffentlicht hatten, würde die Welt niemals mehr dieselbe sein - oder zumindest unser Verständnis davon.

Arthur Eddington (links) und Frank Dyson (rechts). (Public Domain)

Im Jahr 2017 koordinierte Toby Dittrich, ein Physikprofessor am Portland Community College, ein Dutzend Beobachtungsgruppen, darunter Berry's, und schickte zwei seiner Schüler auf die Alpaka-Farm und andere auf einen Berg in Oregon, um zu sehen, ob sie mindestens so gut wie Eddington und Eddington sind Dyson.

Beide Bemühungen mussten sich mit technischen Herausforderungen und der Unbeständigkeit des Wetters auseinandersetzen, denn zu wissen, dass das Zeitfenster für die Beobachtung der Gesamtheit flüchtig wäre.

Im Jahr 1919 hatten die Astronomen den besonderen Luxus von mehr als fünf Minuten Gesamtzeit. Im Jahr 2017 dauerte die totale Sonnenfinsternis für amerikanische Zuschauer nur etwa zwei Minuten. Vorbeiziehende Wolken oder Winde könnten die Beobachtungen in diesen kostbaren Momenten ruinieren - tatsächlich ruinierte die Wolkendecke einen Relativitätstest während der totalen Sonnenfinsternis in den USA von 1918.

Don Bruns, ein Amateurastronom, der für die Finsternis 2017 in Casper, Wyoming, stationiert war und mit Dittrichs Bemühungen koordinierte, war zum Teil von vier fehlgeschlagenen Versuchen inspiriert, das Eddington-Dyson-Experiment zwischen 1936 und 1954 zu wiederholen.

"Auf diese Weise lasse ich die Astronomen in Ruhe", sagt Bruns.

**********

Das jeweilige Fachwissen von Eddington und Dyson machte sie für diese Eclipse-Chasing-Aufgabe gut geeignet. Dyson war Englands Astronomer Royal und leitete das Royal Observatory in Greenwich. Eddington leitete das Cambridge Observatory und machte sich im Bereich der Theorie einen Namen, um zu zeigen, dass die Sonne in der Lage ist, so zu existieren, wie wir sie kennen, anstatt unter ihrem eigenen Gewicht zusammenzubrechen, weil das Licht selbst einen Druck nach außen ausübt.

Dieses Bild zeigt das Blitzspektrum der Chromosphäre der Sonne, der obersten Schicht der Sonnenatmosphäre, während der gesamten Sonnenfinsternis am 21. August 2017 über Oregon. Das Bild erfasst die Sonnenfinsternis bei jeder Wellenlänge des Lichts, das Atome in der Chromosphäre emittieren. Beispielsweise erzeugen Wasserstoffatome, die Licht mit der Wellenlänge "Wasserstoff Alpha" emittieren, rechts eine rote Lichtfarbe, während Calciumatome links das Purpur erzeugen. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory)

Die Principe-Bemühungen, die auf einer Kakaoplanung im Nordwesten der afrikanischen Insel stationiert waren, wurden von Eddington und Edwin Cottingham durchgeführt. Das Duo verwendete meist geliehene Ausrüstung des Oxford Observatory, da Eddingtons eigenes Cambridge Observatory laut Daniel Kenneficks neuem Buch „ Kein Schatten eines Zweifels: Die Sonnenfinsternis von 1919, die Einsteins Relativitätstheorie bestätigte“ nicht auf Sonnenfinsternisse spezialisiert war.

Eddington hat wahrscheinlich die gesamte Datenanalyse von seiner Expedition persönlich durchgeführt, obwohl keine Aufzeichnungen überlebt haben, die er während seiner Reise gemacht hat - nicht einmal die Originalfotoplatten, die im Laufe der Zeit verschwunden sind. Laut dem Bericht des Astrophysikers Subrahmanyan Chandrasekhar aus erster Hand erklärte Dyson gegenüber Cottingham, dass Eddington, wenn er einen doppelt so großen Ablenkungsbetrag wie von Einstein prognostiziert einhält - ein bizarres Ergebnis, das weder von Einstein noch von Newtons Gerüst erwartet wird -, dass Eddington verrückt wird, und Sie werden Ich muss alleine nach Hause kommen. “

In der Zwischenzeit verließ Dyson England zu diesem Anlass nicht wirklich. Nach Sobral, Brasilien, schickte er zwei Mitarbeiter, Charles Davidson und Andrew Crommelin, und einige Geräte von seinem Observatorium. Als sie zurückkamen, leitete Dyson die Analyse der Teamdaten und arbeitete mit Eddington am Abschlussbericht zusammen.

Jedes der 1919er Teams musste mit zwei kritischen Daten zurückkehren, die auf Glasplatten codiert waren. Mindestens eine Platte würde während der Gesamtheit genommen, während die andere nachts mit den gleichen Sternen am Himmel gemacht wurde, aber ohne Sonne und Mond im Vordergrund. Selbst wenn dies gut gemacht würde, hätte die Person, die die Platten analysiert, eine echte Herausforderung.

"Die Sterne sahen natürlich aus wie kleine Kreise auf den Tellern", sagt Kennefick. „Es stellt sich heraus, dass die Änderung der Position tatsächlich geringer ist als die Größe des Kreises. Es ist also eine sehr, sehr feine Messung. Es ist eine sehr schwierige Messung. “

Glücklicherweise verdiente Dyson seinen Lebensunterhalt mit solchen Beobachtungen. Seine normale Arbeit beinhaltete sorgfältige Studien der Sternpositionen und die Untersuchung kleiner Veränderungen. Er benutzte ein kleines Gerät, eine Mikrometerschraube, die sich von einem Punkt zum nächsten über die Platte bewegte und den Abstand zwischen Objekten maß.

Am Tag der Sonnenfinsternis 1919 hatten sie Glück, denn die Sonne befand sich in der Nähe eines sehr hellen Sternhaufens namens Hyades, den Eddington als „mit Abstand bestes Sternenfeld“ bezeichnete. Ihre Helligkeit würde es einfacher machen, sie auf einer Teleskopplatte zu erkennen als schwächere Sterne, die im Glanz der äußeren Region der Sonnenatmosphäre verloren gehen könnten, die so genannte Korona. (Dieses überhitzte Plasma ist bei einer totalen Sonnenfinsternis nur mit bloßem Auge sichtbar, wenn es um die ausgeblendete Sonne zu schimmern scheint.)

Eine Kopie der Dyson-Expeditionstafel von 1919 mit Markierungen, von denen angenommen wird, dass sie von Dysons Gruppe angefertigt wurden. (Niels-Bohr-Institut, Universität Kopenhagen)

Obwohl sich das zweigleisige Experiment als erfolgreich erwies, näherten sich beide Einsteins Vorhersage für das Ausmaß der Ablenkung, was jedoch nicht unumstritten war. Eines der beiden Teleskope der Sobral-Expedition produzierte zweifelhaft aussehende Platten mit Sternen, die eher wie Flecken als wie Kreise aussahen. Dyson hat anscheinend den Anruf getätigt, die Daten herauszuwerfen, und einige Historiker fragen sich, ob die Eddington-Dyson-Gruppe so hoffnungsvoll war, Einstein Recht zu geben, dass sie Daten, die nicht übereinstimmten, fälschlicherweise herausgeworfen haben.

Aber Kennefick sagt, dass es unwahrscheinlich ist, dass Dyson die Ergebnisse verfälscht hat. Eddington war der Wissenschaftler, der Einsteins Vorhersagen vor dem Experiment stimmlich unterstützte, und er hatte nichts damit zu tun, Sobral-Platten zu werfen.

"Es ist selten, in der Wissenschaft oder im Leben völlig neutral zu sein", schreibt Kennefick. "Eddington dafür zu bestrafen, dass er seine Vorlieben ehrlich ausdrückt, verlangt lediglich, dass Wissenschaftler ihre Ansichten unredlich unterdrücken."

**********

Einstein schien nicht allzu besorgt darüber zu sein, dass seine damalige Nischentheorie endlich auf die Probe gestellt würde. Einige haben sogar behauptet, er sei selbstgefällig in der ganzen Tortur, so überzeugt von seiner Theorie, dass er nicht im Geringsten nervös war, was die Expeditionen von 1919 erwarten würden.

"Berühmte Wissenschaftler sagten zu ihm:" Ich kann nicht wirklich glauben, wie ruhig Sie dabei waren ", sagt Kennefick. „Sie sagten:‚ Oh mein Gott, das ist unglaublich. ' Und er sagte: "Ja, ich wusste."

Foto von Albert Einstein von 1921. (Universal History Archive / UIG über Getty Images)

Trotz Einsteins Mangel an Zweifeln wollte er, dass das Experiment durchgeführt wurde. Bereits 1911 hatte er an andere Astronomen geschrieben und sie gefragt, ob sie ein solches Finsternisexperiment durchführen könnten, und er sammelte aktiv Geld für die Sache. Er finanzierte 1914 die Expedition des deutschen Astronomen Erwin Freundlich auf die Krim, um die Sonnenfinsternis-Beobachtungen zu machen, die Eddington schließlich machen würde, aber Freundlichs Reise litt unter einem schlechten Schicksal. Erzherzog Franz Ferdinand wurde ermordet, als Freundlich durch Russland zog, der Erste Weltkrieg ausbrach und der Astronom von den Zaren festgenommen und seine Ausrüstung beschlagnahmt wurde.

**********

Die Physikerin und Philosophin Ilse Rosenthal-Schneider war angeblich mit Einstein zusammen, kurz nachdem er im September 1919 ein Telegramm mit der Nachricht erhalten hatte, dass das Eddington-Dyson-Experiment seine Vorhersagen bestätigte. Sie schrieb, dass Einstein glücklich, aber nicht begeistert wirkte, und seine mangelnde Begeisterung überraschte sie.

Also sagte sie: ‚Nun, was hättest du gesagt, wenn die Theorie gegen dich gestimmt hätte? Wären Sie in diesem Fall enttäuscht gewesen? “, Sagt Kennefick. "Und [Einstein] lächelte und sagte: 'Nun, dann hätte es mir leid getan, denn die Theorie ist richtig.'"

Die Ergebnisse wurden auf dem Treffen der Royal Society in London am 6. November 1919 offiziell vorgestellt und brachten Einstein zum Weltruhm. Laut dem Bericht des Mathematikers Alfred North Whitehead: „Die gesamte Atmosphäre des gespannten Interesses war genau die des griechischen Dramas: Wir waren der Chor, der das Schicksalsdekret kommentierte, wie es in der Entwicklung eines überragenden Ereignisses offenbart wurde. Die Inszenierung war von dramatischer Qualität - das traditionelle Zeremoniell und im Hintergrund das Bild von Newton, um uns daran zu erinnern, dass die größte zeremonielle Verallgemeinerung nun nach mehr als zwei Jahrhunderten ihre erste Modifikation erhalten sollte. “

Diese Ansicht, die aus 23 einzelnen gestapelten Bildern besteht, zeigt 42 gelb umkreiste Sterne um die Sonne während der Gesamtheit. Das Gesicht des Mondes ist sichtbar, weil "Erdschein" - das von der Erde reflektierte Sonnenlicht - vom Mond abprallt. Die großen Ringe zeigen die zu verschiedenen Belichtungszeiten aufgenommene Korona. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory)

Es gab jedoch eine weitere Sonnenfinsternis im Jahr 1922, die es anderen ermöglichte, die Ergebnisse von Eddington und Dyson zu bestätigen. Aber natürlich waren die Astronomen 1919 „aufgeregt. Sie waren glücklich. Sie waren erregt. Aber sie haben es geschätzt, dass sie es in drei Jahren überprüfen konnten “, sagt Kennefick. "Es hat keinen Sinn, den Champagner drei Jahre lang auf Eis zu legen."

Bei dieser Sonnenfinsternis im Jahr 1922 führte eine Gruppe des kalifornischen Lick Observatory ein Folgeexperiment durch und erzielte Ergebnisse, die eng mit denen von Eddington und Dyson übereinstimmten. Bis dahin war Einstein jedoch bereits gut gefeiert. (Dyson versuchte auch, das Experiment zu wiederholen, aber seine Sicht war getrübt.)

**********

Seit 1973 hat kein Fachmann versucht, das Eddington-Dyson-Experiment nachzubilden, da für die Messung der von Einstein vorhergesagten Lichtablenkung der Sonne keine Finsternisse mehr erforderlich sind. Mit Radioteleskopen konnten Wissenschaftler beispielsweise in den 1970er-Jahren das von Quasaren gebogene Licht der Sonne beobachten - superhelle galaktische Kerne, die jeweils aus einem riesigen schwarzen Loch bestehen, das von einer Scheibe umgeben ist, die enorme Energiemengen emittiert - und das tagsüber ohne Hilfe einer Sonnenfinsternis.

Die meisten der Dutzend Amateurgruppen, die Dittrich 2017 koordinierte, um die Version des Eclipse-Experiments aus dem frühen 20. Jahrhundert zu wiederholen, lernten, wie viele Wege ein einzelner Durchgang eines Experiments durchlaufen kann. An zehn Standorten hatten die Teilnehmer Probleme mit ihrer Ausrüstung, wie z. B. Stromversorgung und Überbelichtung oder atmosphärische Turbulenzen, und sie erhielten keine verwendbaren Daten. Eine Gruppe trat versehentlich in einem kritischen Moment auf das Stativ des Teleskops. Diese Fehler unterstreichen, wie glücklich beide Expeditionen von 1919 waren, überhaupt brauchbare Sterne in der Gesamtheit eingefangen zu haben.

Berry und die mit ihm zusammenarbeitenden Studenten des Portland Community College waren eine von zwei erfolgreichen Gruppen in der Zusammenarbeit mit 12 Standorten. Und dann war da noch Don Bruns, dieser Amateurastronom, der in Casper, Wyoming, einsatzbereit war. Er hatte sich seit mehr als einem Jahr auf seine Beobachtungen vorbereitet und immer wieder auf diese entscheidenden Minuten der Totalität geübt. Mit seinen Beobachtungen sei er „spektakulär erfolgreich“ gewesen, sagt Dittrich.

Amateurastronomen, die sich darauf vorbereiten, die totale Sonnenfinsternis 2017 zu beobachten. Von links nach rechts: Abraham Salazar (Student), Jacob Sharkansky (Student), Richard Berry (Amateurastronom), Steve Pinkston (Student) und Toby Dittrich (Professor). (Mit freundlicher Genehmigung von Richard Berry)

Die Daten von Eddingtons Principe-Expedition wurden in eine Lichtablenkung von 1, 6 Bogensekunden - eine Winkelmessung der Entfernung über den Himmel - übersetzt, während Platten von Dysons Besatzung in Sobral 1, 98 Bogensekunden und eine Unsicherheitsspanne von etwa 30 Prozent ansahen. Bruns, ein pensionierter optischer Physiker, hat 2017 Bilder aufgenommen, die genau die Zahl ergeben, die Einstein vorhersagen würde - eine Ablenkung von 1, 7512 Bogensekunden -, wobei die mit atmosphärischen Turbulenzen verbundene Unsicherheit nur 3 Prozent beträgt.

Für seine Arbeit an diesem Unterfangen gewann Bruns den Chambliss Amateur Achievement Award der American Astronomical Society. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Classical and Quantum Gravity veröffentlicht.

Berry, Bruns und Dittrich freuen sich bereits auf das Jahr 2024, das nächste Mal, wenn eine totale Sonnenfinsternis den Zauber der Totalität in die Vereinigten Staaten bringt und diagonal von Texas nach Maine verläuft. Laut Dittrich möchte die Gruppe einen größeren Aufwand für die Wiederholung des Experiments planen, mit möglicherweise noch genaueren Ergebnissen als bei Bruns im Jahr 2017, wenn sie die Unsicherheit aufgrund von Luftturbulenzen verringern können.

Im Rückblick auf das Eddington-Dyson-Experiment ist Berry immer noch beeindruckt von der Bedeutung dessen, was die Teams vor 100 Jahren getan haben.

„Es war ein Experiment, das durchgeführt werden musste, und es hat wirklich einen Unterschied gemacht. Wenn Sie nur die Entwicklung der Relativitätstheorie und dann die Quantenmechanik und die folgenden Dinge verfolgen, dann hängt unsere moderne Welt davon ab, dass diese Dinge geschehen sind.