Hubble sollte seine im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Demonstrationen, die meisten Nebel seien keine Gaswolken in der Milchstraße, sondern ferne Galaxien, mit einer bemerkenswerten Entdeckung krönen: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich von uns fort. Der scheinbar majestätische und unbewegliche Nachthimmel wurde also in Wirklichkeit mit phänomenaler Geschwindigkeit auseinandergesprengt. Und diese Tatsache sollte sich als bedeutsamer Schub erweisen, der Lemaître half, seine Theorie wiederzubeleben und die Vorstellung vom Urknall bekannt zu machen.

Die Technik, die diese Beobachtung möglich machte, war auf Farben angewiesen und war erstmals mit bemerkenswerter Genauigkeit eingesetzt worden, um die in Sternen vorhandenen Elemente zu entdecken und um dann ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich Sterne und Galaxien im Verhältnis zu uns bewegen.

Diese Fähigkeit, weit ins Weltall hinauszuschauen und zu entdecken, woraus ein Stern besteht, war das Ergebnis eines quantenmechanischen Effekts. Aber er ging auf einige Entdeckungen zurück, die im siebzehnten Jahrhundert von dem britischen Wissenschaftler und Genie Isaac Newton gemacht worden waren. Er wurde 1642 in dem Dorf Woolsthorpe in der Grafschaft Lincolnshire geboren und hatte eine schwierige Kindheit, bevor ihm seine Mutter widerwillig erlaubte, als «Sizar» an die Universität von Cambridge zu gehen – eine Position, in der er einem wohlhabenderen Studenten als Diener zur Verfügung stehen musste, um sich seinen Lebensunterhalt zu verdienen.

Anfangs verhielt sich Newton nicht unbedingt wie ein Student, aber im Lauf einer zweijährigen Unterbrechung, als die Pest im Winter 1664 Cambridge heimsuchte, machte Newton ein paar bemerkenswerte Fortschritte bei seinen Vorstellungen über Licht, Mathematik, Mechanik, Gravitation und einiges mehr. Seine Beschäftigung mit dem Licht wurde von einem Spielzeug inspiriert, das er auf einem Jahrmarkt gekauft hatte. Der Jahrmarkt von Stourbridge fand auf Gemeindeland flussabwärts von Cambridge statt. Das war knapp außerhalb der Gerichtsbarkeit der Universitätspolizei und der Aufsichtsbeamten, was den Studenten ein wenig Spaß bescherte, der ihnen in der Stadt selbst verwehrt wurde. Hier kaufte Newton ein primitives Prisma.

Als er damit in einem verdunkelten Raum herumspielte, konnte er als Erster zeigen, dass weißes Licht aus einer Mischung der Farben im Regenbogenspektrum zusammengesetzt war. Und es war ebenfalls Newton, der daraus die Einsicht gewann, warum ein spezielles Objekt eine bestimmte Farbe hat. Wenn wir zum Beispiel einen knallroten Hydranten sehen, trifft ihn das weiße Licht der Sonne. Der Hydrant absorbiert die meisten Farben im Spektrum, sodass er nur das Rot wieder abgibt. Deshalb nehmen wir den Hydranten als rot wahr.

Was Newton nicht wusste, war der Grund, warum dies geschah. Heute wissen wir, dass das einstrahlende Licht eine Mischung aus Photonen mit unterschiedlicher Energie ist, vom Rot mit relativ niedriger Energie bis zum hochenergetischen Blau. Wenn ein Photon auf die Elektronen trifft, die die Materieatome umgeben (in unserem Beispiel die rote Farbe des Hydranten), absorbiert ein Elektron die Energie des Photons und springt auf eine höhere Ebene. Der größte Teil dieser Energie wird allmählich als Wärme in dem Objekt zerstreut, aber ein wenig davon wird verwendet, um neue Photonen hervorzubringen, und diese werden dann eine charakteristische Energie haben, die mit dem Material in Verbindung gebracht wird. Im Fall der Hydrantenfarbe ist es die Energie, die eine Rotfärbung verursacht.

Wenn wir daher Licht auf ein gefärbtes Objekt richten, lässt es effektiv einen oder mehrere Abschnitte des Lichtspektrums hervortreten und gibt dieses Licht wieder ab. Aber wir sehen ja nicht nur beleuchtete Objekte. So leuchten Sterne zum Beispiel aus sich selbst heraus. Wenn das geschieht, ist die Temperatur des Objekts so hoch, dass Elektronen durch die Wärmeenergie gezwungen werden, auf ein höheres Niveau zu springen. Manchmal fallen sie wieder hinunter, und die dabei frei werdende Energie bestimmt die Farbe, die mit dem abgegebenen Photon verbunden ist.

In einem Stern ist die Temperatur so beschaffen, dass es eine breite Energiepalette in den produzierten Photonen gibt. Aber auf dem Weg aus dem Stern heraus müssen diese Photonen die äußeren Schichten des Sterns passieren. Dabei werden einige Frequenzen absorbiert, und das Ergebnis ist eine Reihe schwarzer Linien im Farbspektrum. (Wenn das Licht durch die Erdatmosphäre dringt, müssen wir sorgfältig hinschauen, da andere Linien hervorgerufen werden.) Jedes Element hat seine eigenen, charakteristischen schwarzen Linien, und daraus lassen sich die Elemente ableiten, aus denen der Stern besteht. Diese Linien werden mit Hilfe eines Spektroskops festgestellt, eines Instruments, das in seiner einfachsten Form ein Prisma wie das des jungen Newton ist, das die unterschiedlichen Farben des Lichts aufspaltet, verbunden mit einem Mikroskop, mit dem man die Unterteilungen detaillierter untersuchen kann.

Die Spektroskopie wurde erstmals benutzt, um die Bestandteile der äußeren Schichten eines Sterns zu analysieren, aber als Hubble seine zweite große Entdeckung gemacht hatte, sollten Spektroskope auf andere Art und Weise ins Spiel kommen. Jetzt wurden die Instrumente nicht eingesetzt, um die chemischen Inhalte zu identifizieren, sondern um eine Verschiebung in der Farbe des Lichts zu verfolgen. Es lohnt sich, einen Augenblick darüber nachzudenken, was bei der optischen Verschiebung passiert, die wir beobachten, wenn sich eine ferne Galaxie bewegt. Wie wir bereits gehört haben, hat dieses Phänomen mit dem vertrauten Dopplereffekt zu tun. Wenn ein Zug an einem Eisenbahnübergang vorbeifährt, verrutscht der Pfiff der Lokomotive auf eine niedrigere Frequenz und macht dabei ein charakteristisches, abstürzendes Geräusch. Während der Zug auf uns zukommt, hören wir einen hohen Ton, der tiefer wird, wenn der Zug an uns vorbeigefahren ist. Dasselbe gilt für die Sirenen von Polizeiautos und Krankenwagen.

Etwas sehr Ähnliches geschieht mit dem Licht. Bewegt sich ein Objekt auf uns zu, erhöht sich die Frequenz des Lichts, die es abgibt. Man kann sich das vorstellen, indem man an eine Lichtwelle denkt, die aus dem Objekt hervorgeht. Bevor die nächste Welle kommen kann, wird das Objekt ein Stück näher gekommen sein als im Augenblick davor, sodass die Welle zusammengedrückt wird (was eine kürzere Wellenlänge und eine höhere Frequenz zur Folge hat). Sie wird ins Blaue hinein verschoben. Sie erfährt eine Blauverschiebung.

Wenn Sie, wie ich, lieber die Perspektive des Photons einnehmen, dann ist eine Blauverschiebung nur eine Energiezunahme des Photons. Die Bewegung des Wellen abgebenden Körpers auf uns zu gibt den Photonen einen Energieschub, so wie ein aus einem fahrenden Auto geworfener Tennisball uns mit mehr Energie trifft, als hätte ihn jemand geworfen, der am Straßenrand steht. Im Fall des Tennisballs bewirkt die zusätzliche Energie eine höhere Geschwindigkeit, während das Licht nicht beschleunigt werden kann. Es kann nur mit einer einzigen Geschwindigkeit unterwegs sein, nämlich mit Lichtgeschwindigkeit. Stattdessen gewinnt jedes Photon mehr Energie – eine Verschiebung entlang des Energiespektrums hin zu höheren Werten.

Dies bedeutet, dass sichtbares Licht, das von Objekten abgegeben wird, die sich auf uns zu bewegen, ans blaue Ende des Spektrums verschoben wird: Das Licht wird also blauer oder energiereicher. Bewegt sich ein Objekt von uns fort, wird das abgestrahlte Licht zum roten, niedrigfrequenten Ende des Spektrums verschoben. Es besitzt weniger Energie. Gäbe es keine Spektroskope, wäre die Messung einer solchen Blau- oder Rotverschiebung nicht möglich. Nehmen wir an, Sie sehen einen roten Stern. Wie können Sie wissen, ob es nicht einfach nur ein Stern ist, der zufällig rot leuchtet, oder ob es ein rotverschobener Stern ist?

Die Antwort liegt in jenen Mustern aus schwarzen Linien im Spektrum des ausgestrahlten Lichts. Das Muster dieser Linien ist wie ein Fingerabdruck. Das voraussichtliche Muster für jedes Element ist gut bekannt und kann auch dann identifiziert werden, wenn das Licht blau- oder rotverschoben ist. Deshalb können wir uns das Licht eines Sterns oder einer Galaxie ansehen und feststellen, wie stark es verschoben ist. Daher ist es nicht schwer, die Geschwindigkeit des Himmelskörpers zu berechnen, mit der er sich im Verhältnis zu uns bewegt.

Diese Technik war nicht neu, als Hubble sie anwendete. Der britische Astronom William Huggins erkannte, gemeinsam mit seiner Frau Mary, als Erster, wie viel sich über Sterne und über unsere Sonne in Erfahrung bringen ließ, als man anfing, die Spektroskopie in der Astronomie einzusetzen. Er war auch der Erste, dem 1868 bei der Entdeckung einer Rotverschiebung in dem Stern Sirius auffiel, dass jede Positionsverschiebung jener fest umrissenen Linien benutzt werden konnte, um die relative Geschwindigkeit eines lichtproduzierenden Körpers im Weltall zu identifizieren.