Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit Hilfe eines Jupitermondes

Jupiter Wie wir bereits wissen, hat Galileo Galilei 1610 die vier größten Jupitermonde mit seinem Fernrohr entdeckt. Diese sind Io, Europa, Ganymed und Callisto [1].

Ferner hat sich Galilei auch mit der Frage nach der Lichtgeschwindigkeit beschäftigt. Er kam jedoch nie auf die Idee, diese mit Hilfe der Jupitermonde zu beantworten. Statt dessen machte er Versuche mit zwei Laternen. Eine Laterne gab er einem Gehilfen und schickte diesen damit auf einen etwa 3 km entfernten Hügel. Die zweite Laterne behielt er selbst.

Beide Laternen waren mit einem Verschluß zum Abdunkeln versehen. Der Gehilfe hatte den Auftrag, den Verschluß seiner Laterne zu öffnen, sobald er Galilei's Licht sieht. Die Zeitdifferenz wollte Galilei dann messen. Daß dieser Versuch an der ernorm hohen Geschwindigkeit des Lichtes scheiterte, braucht hier wohl nicht erwähnt zu werden.

Zur Information: Die tatsächliche Lichtgeschwindigkeit beträgt c = 299.792,458 km/s [2]. Das Licht ist so schnell, daß es in einer Sekunde etwa 7,5 mal unsere Erde umlaufen würde. Das Licht, daß vom Mond zur Erde reflektiert wird, ist nur etwas mehr als eine Sekunde unterwegs.

Die Roemer-Interpretation

An der Pariser Akademie beschrieb der Assistent Roemer (1644-1710) in den Jahren 1671 bis 1673 zum ersten mal die Größe der Lichtgeschwindigkeit. Der innerste der vier bis dahin bekannten Jupitermonde Monde, Io, umläuft den Jupiter im Mittel innerhalb von 42h 27'. Genau wie unser Erdmond, verfinstern sich auch die Jupitermonde, wenn sie in den Kernschatten des Jupiters eintauchen. Durch Beobachtungen hatte man bis dahin festgestellt, daß die Zeitabstände zwischen zwei Schattenaustritten (Emersionen) länger sind als zwischen Schatteneintritten (Imersionen). Eine von Roemers ersten Aufgaben an der Pariser Akademie war es, dieses Phänomen zu untersuchen und zu erklären.

Wegen der geometrischen Verhältnisse können Emersionen und Immersionen nur beobachtet werden, wenn die Erde sich seitlich der Linie Sonne-Jupiter befindet. Schatteneintritte sieht man, wenn sich die Erde in Richtung Opposition bewegt, Schattenaustritte dagegen nur, wenn sich die Erde in Richtung Konjunktion bewegt.

Konjunktion: Jupiter steht von uns aus betrachtet genau hinter der Sonne
Opposition: Sonne, Erde und Jupiter bilden der Reihe nach eine Linie, so dass der Jupiter Nachts beobachtet werden kann.

Jupitermond Io

Die Positionen der Planeten konnten zur damaligen Zeit schon berechnet werden. Durch die Rekonstruktion des Lichtweges Sonne-Io-Erde fand Roemer vermutlich die Lösung. Unter der Annahme daß Licht für die zurückgelegte Strecke Zeit benötigt, läßt sich die Zeitdifferenz erklären. Mit diesem Wissen errechnete er eine Lichtgeschwindigkeit von ungefähr

c=225.000 km/s [1]

Obwohl wir heute wissen, daß dieses Ergebnis um knapp 1/4 zu niedrig ist, wurde dieser für die damalige Zeit ganz unvorstellbar hohe Wert mit großer Skepsis diskutiert. Der Fehler trat auf, weil man annahm Io's wahre Umlaufzeit sei konstant. Io's tatsächliche Umlaufbahn um den Jupiter ist aber, wegen der anderen Monde sowie der Nachbarplaneten Saturn und Uranus, sehr starken Störungen unterworfen.

Gerade dieses Beispiel zeigt, daß die Bestimmung physikalischer Gesetzmäßigkeiten mit Hilfe der Astronomie sehr Zeit aufwendig sein kann. Hierzu sind eben sehr intensive Beobachtungen notwendig und das Wetter muß natürlich auch mit spielen.

Schrifttum:
[1]   Wolfram Winnenburg, Einführung in die Astronomie, B.I.Wissenschaftsverlag, 1990
[2] Dr. Alan B. Chamberlin, Jet Propulsion Laboratory, http://ssd.jpl.nasa.gov/


 

Datenschutzerklärung