Spektroskopie

Immer genauer lernen Wissenschaftler die Eigenschaften des Lichts kennen. Die verblüffendste: Licht enthält eine Unmenge geheimer Informationen – über unsere Erde und über ferne Galaxien. Und es sagt uns, wo die süßesten Äpfel wachsen.

Ende Oktober 2005 feierten die Himmelsforscher der NASA einen großen Erfolg: Sie zielten mit dem riesigen »Keck«-Teleskop in den kristallklaren Himmel über Hawaii, nahmen den Stern Vega ins Visier – und sahen fast nichts. Vom dritthellsten Stern des nördlichen Himmels war nur ein schwacher Schimmer zu erkennen – dennoch waren die Wissenschaftler vollauf begeistert. Warum? Weil die abgeschwächten Vega-Bilder den Beweis erbracht haben, dass ein neues Aufnahmeverfahren der Astronomen im Prinzip funktioniert: Damit lässt sich das eintreffende Licht eines Sterns gezielt abdunkeln, sodass sich die Chance eröffnet, das viel schwächere Licht eines um ihn kreisenden Planeten aufzufangen.

Unter normalen Umständen bleibt das Licht eines Planeten nämlich unauffindbar, weil es vom gleißenden Schein des nahen Sterns um das Hundertmillionenfache überstrahlt wird. Nur wenn es gelingt, das Licht des Sterns etwa um denselben Faktor abzuschwächen, kann man einen Schimmer des Begleiters erhaschen. Mit dem neuen Aufnahmeverfahren gelang den NASA-Wissenschaftlern ein wichtiger Schritt in diese Richtung: Durch die Interferenz der Lichtwellen, die von Vega kamen, löschten sie dessen Strahlung weitgehend aus. In ein paar Jahren, so hoffen die Forscher, werden sie ihr Auslöschverfahren so weit optimiert haben, dass sie damit gezielt auf Planetenjagd gehen können.

So hoch gerüstet, wird es nur eine Frage der Zeit sein, bis die Sensation in den Teleskopen der Astronomen eintrifft: der erste Strahl reinen Planetenlichts. Dieses Licht wird alles Mögliche über den fremden Himmelskörper preisgeben: Woraus seine Atmosphäre besteht, wie rasch er sich dreht, wie warm er ist – und vor allem: ob es Leben darauf gibt. Ein neues Zeitalter der Astronomie steht uns dann bevor.

Wie viele Informationen in einem einzigen Lichtstrahl stecken, haben die Menschen erst in den letzten zwei Jahrhunderten gelernt. Vorreiter waren zunächst die Astronomen, deren Forschungsgegenstand ja pures Licht ist: Von den Sternen dringt nichts anderes zu uns als nur ein Lichtstrahl. Selbst der größte Riesenstern hinterlässt im stärksten aller Teleskope lediglich einen ausdehnungslosen Punkt. Dass die Astronomen heute einen ganzen Zoo von Sternen benennen können, dass sie Rote Riesen, Braune Zwerge, Quasare, Neutronensterne, Weiße Zwerge und viele andere unterscheiden gelernt haben, liegt einzig und allein an ihrer Fähigkeit, das eintreffende Licht genauestens zu analysieren.

Aus der Technik zur Entschlüsselung der verborgenen Lichtbotschaften hat sich inzwischen ein ganzer Wissenschaftszweig entwickelt: die Spektroskopie. Sie ermöglicht es, die Struktur von Atomen und Molekülen zu enträtseln, sie liefert die entscheidenden Daten, aus denen sich unser Bild vom Universum ergibt, und sie findet auch auf der Erde Anwendung. So lassen sich zum Beispiel vom Flugzeug aus schädlingsbefallene Felder oder brandgefährdete Wälder identifizieren – einzig anhand des Lichts, das sie ausstrahlen.

Wie viele Informationen im Licht verborgen sind, hat der Deutsche Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826) rein zufällig entdeckt. Der Physiker und Glastechniker, der sich mit der Produktion von Fernrohren und wissenschaftlichen Instrumenten einen Namen gemacht hatte, untersuchte 1814 mit einem Prisma das Sonnenlicht.

Wer sich jemals einen geschliffenen Glaskristall ans Fenster gehängt hat, kennt die Verwandlung, die ein Sonnenstrahl beim Durchtritt durch den Kristall erfährt: Der Strahl weißen Lichts wird zu einem bunten Strauß von Regenbogenfarben.

Nach dem gleichen Prinzip fächerte Fraunhofer mit einem Glasprisma das Tageslicht auf – und entdeckte dabei Eigentümliches: Das Regenbogenspektrum der Sonne war von feinen schwarzen Linien durchzogen. Zu jeder Tageszeit fand der Forscher die Linien wieder, und sie veränderten sich auch nicht, wenn er ein anderes Prisma zur Untersuchung verwendete. Im Licht einer Gasflamme dagegen konnte er keine Linien entdecken. Fraunhofer folgerte, dass die insgesamt über 500 Linien, die er finden konnte (heute kennt man 25000), auf geheimnisvolle Weise ein Charakteristikum des Sonnenlichts darstellen. Auf welchen Schatz er mit dieser Entdeckung gestoßen war, ahnte er allerdings nicht.

Das wurde erst zwei weiteren berühmten Forschern klar, als sie, ebenfalls durch Zufall, dreißig Jahre nach Fraunhofers Tod auf die Ursache der dunklen Linien stießen. Der Chemiker Robert Bunsen und der Physiker Gustav Robert Kichhoff entdeckten, dass die Linien im Lichtspektrum »Fingerabdrücke« verschiedener Stoffe sind und dass man sie ganz einfach erzeugen konnte. Wollte man Linien sehen, musste man bloß Kalzium, Natrium, Chlor oder irgendeinen anderen Stoff in der heißen Flamme eines Bunsenbrenners verbrennen. Fächerten die Forscher anschließend das Licht der Flamme mit einem Prisma auf, so zeigten sich ganz unterschiedliche, für jeden Stoff charakteristische Muster im Spektrum.

Was das bedeutete, war den beiden Wissenschaftlern umgehend klar: eine fantastische Möglichkeit, Stoffe zu identifizieren. Man musste sie nicht länger in komplizierten Apparaturen umwandeln, reinigen und destillieren; es genügte statt dessen, sie in die Flamme zu bringen und das dabei entstehende Linienmuster ihres Lichts zu begutachten. Aus der Stärke der Linien konnte man sogar das Mischungsverhältnis verschiedener Stoffe erkennen.

Mehr noch: Der Vergleich der Linien aus dem Bunsenbrennerversuch mit denen des Sonnenlichts zeigte, dass unser Heimatgestirn aus irdischen Substanzen besteht. Die Linien des Wasserstoffs waren im Sonnenspektrum deutlich zu sehen; zusätzlich entdeckte man die charakteristischen Spuren von Sauerstoff, Kalzium, Natrium, Eisen und vielen anderen Stoffen. Nach und nach ließen sich fast alle Linien des Sonnenlichts zuordnen.

Nur für eine bestimmte Linie im gelben Spektralbereich konnten die Forscher partout keine irdische Entsprechung finden. Schließlich nahmen sie an, dass dahinter wohl ein noch unentdecktes Element stecken müsse, und tauften es auf den Namen »Helium« (nach griechisch »Helios« = Sonne). Erst weitere dreißig Jahre später, 1895, isolierte der britische Chemiker William Ramsay das flüchtige Edelgas auf der Erde. Dass er damit das gesuchte Element gefunden hatte, bewies er wiederum anhand des Spektrums.

Rasch schritten die Astronomen weiter voran: Mit der neuen Methode, das Licht zu analysieren, konnten sie endlich die Sterne zum Sprechen bringen. Auch die Sternspektren, so stellte sich nämlich heraus, enthalten dunkle Linien – wiederum solche, die man auch aus dem Labor kennt. Daher wissen wir, dass selbst die entferntesten Sterne aus denselben Grundstoffen aufgebaut sind, die wir auch auf der Erde finden.
Manche der Sternspektren sehen denen der Sonne ganz ähnlich, andere haben stark ausgeprägte Linen an Stellen, wo die Sonne keine hat, oder es fehlen Linen, die man bei der Sonne findet. Nach und nach brachten die Himmelsforscher Ordnung in die Datenflut, die mit den Spektren über sie hereinbrach: Sie teilten die Sterne nach der Ähnlichkeit ihres Lichts in sieben Klassen ein, denen sie jeweils noch Unterklassen zuordneten – eine regelrechte »Sterntypologie«. Unsere Sonne zum Beispiel wurde in die »Spektralklasse« G2 eingeordnet.

Eine zweite, sehr seltsame Beobachtung kam hinzu: Bei manchen Sternen waren anscheinend alle Linien etwas »verrutscht«: Sie fanden sich nicht an der erwarteten Stelle des Spektrums, sondern allesamt in Richtung Rot verschoben. Schnell war klar, was der einzige Grund sein kann: Der Stern bewegt sich von uns weg. Durch den so genannten Dopplereffekt, der auch die Sirenentöne eines davonrasenden Krankenwagens tiefer erscheinen lässt, wird das Licht langwelliger. Alle Linien erscheinen dann an einer veränderten Position, und aus der Größe ihrer »Rotverschiebung« lässt sich die Geschwindigkeit errechnen, mit der sich der Stern von uns entfernt. Auch der umgekehrte Fall ist möglich: Manche Sternspektren zeigen eine »Blauverschiebung«, weil der Stern sich auf uns zubewegt.

Als die Astronomen im Licht der neuen Erkenntnismöglichkeiten den Himmel absuchten, erlebten sie abermals eine Überraschung: Die meisten Sterne, so stellten sie fest, bewegen sich von der Erde weg. Fast sieht es so aus, als ob die Erde im Zentrum eines nach allen Seiten expandierenden Universums stünde. Was dieser seltsamen Beobachtung zugrunde liegt, hat 1929 der amerikanische Astronom Edwin Hubble entdeckt – wiederum durch genaue Analyse der Sternspektren: Ferne Galaxien bewegen sich umso schneller von uns weg, je weiter sie entfernt sind. Rechnet man ihre Bewegung zurück, so muss das ganze Weltall vor ungefähr 14 Milliarden Jahren von einem Punkt aus gestartet sein: Unsere Welt ist durch einen Urknall entstanden! Auch diese Botschaft lässt sich aus dem Sternenlicht herauslesen, das bei uns eintrifft.

Viele weitere Daten entnehmen die Astrophysiker den Sternspektren: Aus der Zugehörigkeit zu verschiedenen Spektralklassen bestimmen sie die Temperatur des Sterns, aus dem Abstand bestimmter Spektrallinien sein Magnetfeld, aus der Form der Linien seinen Gasdruck an der Oberfläche und seine Rotationsgeschwindigkeit. Indirekt ergeben sich so Durchmesser, Masse und sogar das Alter des Sterns.

Selbst die Anwesenheit von Planeten lässt sich unter günstigen Umständen allein aus der Betrachtung des Sternspektrums erkennen. Planeten »zerren« nämlich beim Umlauf an ihrem Zentralgestirn: Der Stern schwankt ein wenig hin und her. Dieses Schwanken hinterlässt seine Spuren in der Rotverschiebung des Spektrums, denn im selben Rhythmus verändert sich die Position der Linien. Daraus wiederum lassen sich die Umlaufzeit des Planeten und seine Entfernung vom Zentralgestirn bestimmen sowie seine Masse schätzen.

Mehr als 150 Planeten haben die Forscher auf diese indirekte Weise schon gefunden – allerdings nur sehr schwere Exemplare, die ungewöhnlich dicht um ihren Stern kreisen. Nur diese kann man mit den bisherigen Methoden entdecken – eine zweite bewohnbare »Erde« bliebe für die Astronomen zurzeit noch unsichtbar. Ein bewohnbarer Planet muss nämlich in recht weitem Abstand um seine »Sonne« kreisen, damit es auf ihm nicht zu heiß ist.

Mehr als für die indirekten Spuren, die ein Planet hinterlässt, indem er an seinem Zentralgestirn zerrt, interessieren sich die Forscher allerdings für das Planetenlicht selbst. Aus Millionen Kilometern Entfernung könnten die Astronomen daraus ersehen, ob der Planet belebt ist – einfach, indem sie das Planetenlicht auf Linien des Sauerstoffs hin untersuchen. Die Erde zum Beispiel würde schon deshalb als belebt auffallen, weil ihre Atmosphäre zu 20 Prozent aus Sauerstoff besteht. Sauerstoff ist ein so reaktives Gas, dass es sich eigentlich in kürzester Zeit mit dem vorhandenen Eisen zu Rost verbinden müsste – wenn es nicht ständig von Lebewesen durch Photosynthese nachgeliefert würde.

Falls es im Umkreis von 75 Lichtjahren eine zweite Erde mit vergleichbaren Lebensbedingungen gibt – »Darwin« wird sie finden. Die europäische Weltraumbehörde ESA will diesen Spezialsatelliten im Jahr 2014 mit einer Ariane-V-Rakete ins Weltall schicken. Er soll dort das Licht ferner Planeten aufspüren und ihre Spektren untersuchen – und zwar nach der prinzipiell gleichen Methode, die die NASA in ihrem Keck-Teleskop angewandt hat. Mehrere Teleskope werden dazu das Licht der fernen Welten einfangen und es mit unterschiedlicher Zeitverzögerung zu einem zentralen Dektektor weiterleiten. Ist der winzige Zeitunterschied der Signale genau richtig gewählt, wird das Licht des Sterns ausgelöscht (»destruktive Interferenz«), während der schwache Schimmer des benachbarten Planeten sogar verstärkt wird. Die Anlage wird so leistungsfähig sein, dass sie in der Lage wäre, das Licht einer Kerze zu erkennen, die in tausend Kilometer Entfernung direkt neben dem gleißenden Scheinwerfer eines Leuchtturms steht.

Vom Weltall aus werfen die Forscher aber nicht nur einen Blick in die Tiefen des Alls, sondern ebenso auf die Erde. Und auch bei der Untersuchung unseres Heimatplaneten verhilft die Kunst der Lichtanalyse zu überraschenden Erkenntnissen. So gewinnen Erdbeobachtungssatelliten aus Spektraldaten Informationen über die Bodenbeschaffenheit und den Zustand von angebauten Pflanzen. Diese Daten sind Grundlage für die moderne High-tech-Landwirtschaft: Der Bauer erfährt per Satellit, wo auf dem Acker Dünger fehlt oder Schädlinge seine Pflanzen bedrohen. Mit einem Traktor, der mit einem Ortungsgerät ausgestattet ist, kann der Bauer anschließend Dünger oder Pestizide zielgenau dort ausbringen, wo sie benötigt werden. So spart er Chemikalien, senkt seine Kosten und entlastet die Umwelt.

Bei der Fernerkundung der Erde vom Satelliten (oder vom Flugzeug) aus arbeiten die Geografen genauso wie die Astronomen mit der spektralen Zerlegung des Lichts. Nur tritt in diesem Fall eine Schwierigkeit hinzu: Während die Astronomen nur einen einzelnen Lichtpunkt in seine spektralen Anteile zerlegen, müssen die Geografen immer ein großflächiges Bild mit Zigtausenden von Lichtpunkten analysieren. Zudem können Astronomen stundenlang belichten, wenn sie das Spektrum eines leuchtschwachen Sterns ausmessen wollen. Unter den Kameras zur Fernerkundung aber rast die Erde vorbei – in Sekundenbruchteilen muss das Spektrum aufgezeichnet werden. Weil dabei sehr schnell gigantische Datenmengen registriert werden müssen, sind diese Kameras stark verbesserte Versionen herkömmlicher Digitalkameras. In der Pixel-Kamera für den Hausgebrauch zerlegen Sensoren – ähnlich wie unser Auge – ein Bild in drei verschiedene Spektralbereiche (»Kanäle«): Grün, Rot und Blau. Eine Fernerkundungskamera hingegen besitzt bis zu 400 Kanäle – entsprechend größer ist die Zahl der Informationen, die in ihren Bildern stecken.

So gibt es zum Beispiel einen Bereich im Infrarotlicht, in dem Chlorophyll eine breite Linie (»Bande«) hinterlässt: Ein spezieller Sensor für diesen Bereich liefert deshalb Erkenntnisse über den Reifezustand der Vegetation. Auf ähnliche Weise lässt sich auch der Wassergehalt von Pflanzen beurteilen: Das Spektrum von Wasser hat eine spezielle »Signatur«, die man in den Bildern wiederfindet. So können Geoökologen schon beim schnellen Flug über einen Wald feststellen, wo die Waldbrandgefahr aufgrund Trockenheit besonders hoch ist: Das von den Bäumen reflektierte Licht verrät es.

Sogar zur Kartierung von Städten wird die Fernerkundung eingesetzt. Zwar könnte man auch Kartografen zu Fuß losschicken, aber schneller und billiger geht es aus der Luft. Aus den spektral aufgelösten Stadtbildern können die Fachleute eine Unmenge an Informationen ablesen. Allerdings ist die Sache komplizierter, als sie klingt. Zuvor müssen nämlich Messtrupps ins Gelände geschickt werden, die mit einem Handgerät die Spektren von allen Oberflächen messen, die in einer Stadt von Bedeutung sind: Dachziegel, Gehwegplatten, frischer Rasen, Bäume, Asphalt, Beton, Wellblech und vieles andere mehr. Erst mithilfe dieser Daten können die Kartografen die aufgenommenen Spektralbilder in farbige Aufnahmen umsetzen, auf denen man zum Beispiel erkennt, auf wie vielen Dächern der Stadt Solarzellen installiert sind, wie groß die Grünflächen sind und wie es um den Gesundheitszustand der Bäume längs der Ausfallstraßen bestellt ist.

Nicht nur aus großer Entfernung liefert die Spektralanalyse wichtige Erkenntnisse – auch aus nächster Nähe kann sie Dinge offenbaren, die sonst verborgen bleiben. So sind Sensoren in der Entwicklung, mit denen man einen Menschen berührungsfrei auf Diabetes testen kann – indem das von der Haut zurückgestrahlte Licht auf die charakteristischen Merkmale des Zuckers geprüft wird. Ein anderes europäisches Projekt arbeitet an der »optischen Nase«, einem Gerät, das mittels Spektroskopie feststellt, welche Gase sich in der Ausatemluft eines Patienten befinden. Es soll bereits geringste Spuren von Schwefeldioxid, Bromwasserstoff, Kohlenmonoxid und vielen anderen Gasen nachweisen. Die Erfinder hoffen, aus diesen Messungen Erkenntnisse über eine Vielzahl von Krankheiten gewinnen zu können – bis hin zu Lungen- und Dickdarmkrebs.

Ein besonderer Clou ist der »spektroskopische Handschuh«: Er soll Bauern die Obsternte erleichtern. Im Handschuh eingebaut sind eine Lampe sowie ein Sensor, der das von der Frucht reflektierte Licht analysiert und so den Zuckergehalt feststellt. Der Obstbauer kann dadurch vor dem Pflücken feststellen, ob der Apfel reif genug ist. Vollautomatisch arbeitende Sortiermaschinen sollen demnächst das Obst sogar nach Süße sortieren. Dann kann man im Laden bald nicht nur zwischen verschiedenen Apfelsorten wählen, sondern auch zwischen verschieden süßen Varianten.

Klar wird bei all diesen Vorschlägen vor allem eines: Die Möglichkeiten der Lichtanalyse sind bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Im Gegenteil: Die Erfolgsgeschichte der Spektroskopie beginnt gerade erst – im Alltag wie in der Wissenschaft. Kommende spektroskopische Anwendungen könnten ebenso gefälschte Banknoten oder Medikamente »enttarnen« wie neue Einblicke in das Zusammenspiel der verschiedenen Tier- und Pflanzenarten ermöglichen. Fraunhofer würde darüber staunen, was sich alles aus den unscheinbaren Linien lesen lässt, die er einst im Sonnenlicht entdeckt hat.