Gehört zu: Astronomie
Siehe auch: Gallileo, SI-System, Zeitmessung, Entfernungsbestimmung, Pariser Observatorium
Benutzt: Latex-Plugin für WordPress, SVG-Grafik aus Github, Fotos aus Google Drive
Stand: 14.10.2023
Ole Römer (Ole Rømer)
Ole Christensen Rømer (1644-1710) war ein dänischer Astronom. Bekannt wurde er u.a. durch das 1676 veröffentlichte Verfahren zur Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Jupitermonde.
Durch die genaue Beobachtung der Jupitermonde gelangte er zur Erkenntnis, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist (was zu dieser Zeit höchst umstritten war).
Heutzutage ist die Lichtgeschwindigkeit im SI-System als Naturkonstante auf 299792,458 km/s festgelegt und dadurch wird dann die Längeneinheit “Meter” definiert:
1983 hat die 17. Generalkonferenz für Maß und Gewicht das Verhältnis zwischen Lichtgeschwindigkeit und Meterdefinition umgekehrt.
Dabei wurde die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante definiert zu 299 792 458 m/s und das Meter definiert als “Die Strecke, die Licht im Vakuum während der Zeit von 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt”.
Die Jupitermonde
Gallileo Gallilei (1564- 1642) benutzte als einer der ersten Forscher ein Fernrohr zur Himmelsbeobachtung.
Er entdeckte 1610 die vier größten Monde des Jupiter: Io, Europa, Ganymed, Kallisto. Derzeit sind 92 Monde bekannt, die Jupiter umrunden.
Abbildung 1: Jupiter mit den vier Galileischen Monden (Google Drive: JupiterMonde.jpg)
Screenshot aus Stellarium: Dietrich Kracht
Io, der innerste Mond, umkreist den Jupiter in 42,5 h. Er stellt eine wertvolle Uhr dar, mit deren Hilfe damals Seefahrer auf hoher See die Uhrzeit und damit die geographische Länge bestimmen konnten.
Um den Seefahrern eine bessere Orientierung zu ermöglichen, legte der französische Astronom Giovanni Cassini (1625-1712) die Verfinsterung der Jupitermonde in Zeittafeln nieder. Cassini war damals Direktor des Königlichen Observatoriums Paris (gegr. 1667)
Jean Picard (1620-1682) kam 1671 im Auftrag der französischen Académy des Sciences nach Uraniborg, dem ehemaligen Observatorium von Tycho Brahe (1546-1601) auf der Insel Ven, um dort die genauen geografischen Koordinaten zu vermessen, damit die umfangreichen Beobachtungsdaten von Tycho Brahe weiter zu Forschungszwecken verwendet werden konnten. Bei der Durchführung seiner Arbeiten zur Längengradbestimmung anhand der Verfinsterungen der Jupitermonde assistierte ihm Ole Römer. Auf Empfehlung von Jean Picard kam Ole Römer dann im Jahre 1672, 28 Jahre alt, an das Pariser Observatorium als Assistent von Cassini.
Die Umlaufzeit des Io konnte man sehr genau durch Messung der Zeiten der Verfinsterung (Eintritt des Mondes in den Jupiterschatten) messen. Dabei wurde die Bewegung des Jupiters auf seiner Bahn um die Sonne (Umlaufszeit ca. 12 Jahre) während eines Io Umlaufs vernachlässigt.
Als Ole Römer zur Verbesserung der Cassinischen Zeittafeln die Monde des Jupiter nochmals beobachtete, stellte er größere Abweichungen fest.
Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Ole Römer
Die Abweichungen zu Cassinis Tafeln waren je nach Stellung des Jupiter, sei es in Opposition, sei es nahe der Konjunktion anders.
Abbildung 2: Opposition und Konjunktion bei äußeren Planeten (Github: Opposition_Konjunktion.svg)
Wenn die Erde dem Jupiter am nächsten war (in der Oppositionsstellung), stimmte alles vorzüglich (d.h. man stellte eine Umlaufdauer von 42,5h fest), doch im nächsten halben Jahr “ging der Jupiter nach” d.h. der erneute Austritt des Mondes aus dem Jupiterschatten erfolgte nicht nach 42,5 Stunden, sondern Umlauf für Umlauf ein paar Sekunden später.
Im Jahre 1676 ermittelte Ole Römer eine aufgelaufene Verspätung im Maximum (bei der Konjunktionsstellung) von 22 Minuten. Im nächsten halben Jahr kam der Schatteneintritt wieder früher und als die Erde wieder die Oppositionsstellung erreichte, war alles wieder im Lot.
Eine Beobachtung direkt in der Konjunktionsstellung war natürlich nicht möglich, aber Ole Römer hat die 22 Minuten dann quasi “hochgerechnet” aus einer langen Reihe von Beobachtungen, die er im Laufe der Zeit von der Opposition bis zur Konjunktion messen konnte.
Ole Römer versuchte diese Abweichungen durch die unterschiedlichen Entfernungen Jupiter-Erde zu erklären. Er hat damals den Erdbahndurchmesser noch nicht genau genug gekannt, hatte aber mit seiner Messung der Lichtlaufzeit von 22 Minuten einen ersten Nachweis, der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit.
Heute weiss man, dass der “richtige” Wert für die Lichtlaufzeit bei ca. 18 Minuten liegt. An dieser großen Abweichung sieht man auch, dass die Vernachlässigung feinerer Einzelheiten (z.B. Bahnbewegung des Jupiter, Störungen der Bahn des Jupitermondes Io durch andere gravitative Einflüsse) bei diesem ersten Ansatz irrelevant waren. Das Ergebnis war einfach: Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich.
Siehe: “Demonstration touchant de mouvement de la lumiere trouvé par M. Römer” (Journal des Scavans, Dec. 7, 1676).
Link: https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k56527v
Zur Genauigkeit der Zeitmessung schreibt Birgit Bender (http://www.diplom.de/e-book/218507/methoden-zur-messung-der-lichtgeschwindigkeit-und-aspekte-zur-konstanz):
“…dass diese Entdeckungen mit der Konstruktion der Pendeluhr durch Christiaan Huygens im Jahr 1657 möglich wurden. Huygens verbesserte hiermit die Genauigkeit der Zeitmessung entscheidend. Seine Uhren konnten auf einen Gang von wengigen Sekunden pro Tag reguliert werden.”
https://books.google.de/books?id=adl7AQAAQBAJ&pg=PA1&lpg=PA1&dq=die+messungen+von+ole+roemer&source=bl&ots=ZhDvjwBvST&sig=ACfU3U1LwPn5vivI4xCqmd0MfKVyCIGdZw&hl=de&sa=X&ved=2ahUKEwjzidiC0N6BAxUwgv0HHTCDClI4FBDoAXoECAIQAw#v=onepage&q=die%20messungen%20von%20ole%20roemer&f=false
Christiaan Huygens (1629-1695) ermittelte 1678 die Entfernung Erde-Sonne zu 11 000 Erddurchmessern, also etwa 141 000 Millionen Kilometer. Dazu benutzte er die Angabe der Sonnenparallaxe von 9,5 Bogensekunden, die Cassini 1673 aus einer Marsbeobachtung erhalten hatte.
Damit errechnete er:
\( \Large c = \frac{2 \cdot 141 000}{22 \cdot 60} \enspace km/s = 213636 \enspace km/s \\\)was um 29% vom heute bekannten Wert abweicht.
Spätere Messungen der Lichtgeschwindigkeit
Nach dem allerersten Ansatz von Ole Römer im Jahre 1676 gab es immer wieder zahlreiche physikalische Anstrengungen, den Wert der Lichtgeschwindigkeit genauer und genauer zu bestimmen. Die Methode der Jupitermonde wurde aber für die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nicht weiter verwendet.
Beispielsweise zeigte die Messung der Aberation durch Bradley 1727 ebenfalls die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit.
Im Jahre 1848 maß er französische Physiker Hippolyte Fizeau (1819-1896) die Lichtgeschwindigkeit mit seinem berühmten Zahnradexperiment noch genauer: 313000 km/sec
Anhang
Abbildung 3: Facsimile Ole Roemer Paper (Google Drive: OleRoemer-1.jpg)
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