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Kapitel 1: Aufbau und Funktionsweise eines Teleskops

Wenn man sich den nächtlichen Sternenhimmel anschaut und den Mond, die Planeten und die Sterne genauer beobachten möchte, stößt man auf zwei Probleme: Die Objekte sind wegen ihres Abstandes sehr klein und überwiegend nur sehr schwach zu sehen.

Nächtlicher Sternenhimmel, Milchstraße

Panorama-Aufnahme der Milchstraße

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Der nächtliche Sternenhimmel im Spätherbst. Mit der gedrückten Maustasten kann man im Bild herumscrollen.

Und das Auffinden der überwiegend recht kleinen und schwachen Objekten stellt die größte Herausforderung dar.

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Schon der große Kugelsternhaufen M13 im Sternbild Herkules, ein Obkjekt, dass man auch schon mit einem Feldstecher beobachten kann, macht am Anfang Schwierigkeiten.

Das wichtigste Hilfsmittel eines (Amateur-)Astronomen ist deswegen das Teleskop. Es hat die Aufgabe, mehr Licht als das Auge zu sammeln, damit man auch schwache Objekte am Himmel sehen kann. Natürlich soll das Teleskop den Himmelsausschnitt auch vergrößern, damit selbst kleinste Objekte möglichst viele Details zeigen.

Es gibt zwei Haupttypen von Teleskopen: Refraktoren und Reflektoren. Den Teil eines Teleskops, der für das Sammeln des Lichtes zuständig ist, nennt man Objektiv. Die Art des Objektivs bestimmt den Typ des Teleskops. Ein Refraktor besitzt ein Glaslinse als Objektiv. Das Glasobjektiv sitzt am vorderen Teil des Tubus und bricht das Licht (Refraktion), wenn es durch die Linse läuft. Ein Reflektor-Teleskop benutzt einen Spiegel, der sich am Ende des Tubus befindet. An diesem Spiegel "prallt" das Licht ab, es wird reflektiert.

Jeder Typ hat seine spezifischen Vor- und Nachteile:

Refraktoren

Der Refraktor benutzt eine Linse, um das Licht zu sammeln und in einem Brennpunkt zu bündeln. Die ersten astronomischen Teleskope waren solche Refraktoren, ebenso sind es "Piraten-Teleskope" und Zielfernrohre.

Refraktor

Refraktor mit 130 mm Objektivdurchmesser und einer für Refraktoren relativ kurzen Brennweite von 800 mm.
Am Okularauszug steckt kein Okular.

Vorteile der Refraktoren

Nachteile

Wegen der Nachteile der Refraktoren sind bei vergleichbarer Größe die Reflektoren die preiswerteren Teleskope.

Das größte je gebaute Linsenteleskop steht im Yerkes Observatorium und hat einen Durchmesser von 40", d.h. 1,02 m. In amateurastronomischen Kreisen stellt ein 12"-Refraktor die obere Grenze dar, ein 5"-er ist schon ein großer Refraktor.


Bild des Yerkes-Teleskops, gefunden auf der dortigen Webseite (http://astro.uchicago.edu/vtour)

Das menschliche Auge ist ein kleiner Refraktor. Die Sammellinse mit einer stufenlosen Blende wirft das Licht auf die Netzhaut, wo es detektiert und als Signale dem Gehirn zugeleitet wird. Das Auge besitzt eine logarithmische Empfindlichkeit.

Eine Verdopplung der einfallenden Lichtintensität bewirkt keinesfalls einen doppelt so großen Helligkeitseindruck. Um den Helligkeitseindruck zu verdoppeln, muss die Lichtintensität grob um den Faktor 10(!) vergrößert werden. Daraus folgt, dass die Helligkeiten von astronomischen Objekten in einer für Anfänger seltsam erscheinenden relativen Maßeinheit gemessen werden, d.h. in Größenklassen oder Magnituden (korrekte Einzahl Magnitudo).

Abgekürzt wird diese Maßeinheit mit einem hochgestellten m (z.B. 2m) oder "mag". Oftmals findet man das kleine m auch über dem Dezimalkomma (bzw. in der angelsächischen Literatir Dezimalpunkt) einer Helligkeitsangabe (z.B. 2,m3 = 2.3mag).

Hat ein Stern die Helligkeit (in mag) m1, ein zweiter die Helligkeit m2, so verhalten sich ihre Intensitäten wie

Beträgt der Helligkeitsunterschied zwischen zwei Sternen 5 Größenklassen (z.B. m1 = 6m, m2= 1m), so leuchtet der eine (m2) 2,51*2,51*2,51*2,51*2,51 = 100 mal heller. (Machen Sie sich die Mühe und rechnen Sie das mal nach!)

Das Auge kann bei vollständiger Adaptation in einer nicht ganz vollständig dunklen Nacht noch Sterne 6. Größenklasse sehen, wobei man einmal einem Referenzstern die scheinbare Helligkeit 0m zugewiesen hatte.

Die Sternbilder "Großer Wagen" und "Kleiner Wagen" mit Helligkeitsangaben der wichtigsten Sterne. Diese beiden Sternbilder eignen sich prima zur Bestimmung der Grenzgröße des Himmels, also zur Bestimmung der Helligkeit der gerade noch sichtbaren Sterne am Himmel. Wenn man den Kleinen Wagen in einer Nacht vollständig sieht, ist der Himmel schon recht dunkel.

Bei diesen Angaben handelt es sich um "scheinbare Helligkeiten". Wie hell uns ein Stern erscheint, hängt natürlich neben seiner "absoluten" Leuchtkraft auch z.B. von seiner Entfernung ab.

Reflektoren

Die Spiegelteleskope nutzen, wie der Name schon sagt, einen Spiegel, um das Licht zu sammeln und in dem Brennpunkt zu konzentrieren. Da alle Objekte im Weltall sehr weit weg liegen, kommen die Lichtstrahlen, die von einem astronomischen Objekt ausgehen, als parallele Lichtbündel zur Erde. Deswegen ist der Spiegel eines Teleskops parabolförmig geschliffen. Das bedeutet, dass jeder Durchmesser auf der Spiegeloberfläche eine Parabel beschreibt. (Im Gegensatz dazu ist ein normaler Hohlspiegel, wie z.B. ein "Rasierspiegel", kugelförmig geschliffen.) Alle modernen Großteleskope sowie alle größeren Amateurteleskope sind Reflektoren.

Vorteile der Reflektoren

...trotzdem muss man auch mit Nachteilen rechnen.

Nachteile

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Spiegel zu einem Teleskop zu kombinieren, deswegen existiert eine ganze Reihe verschiedener Bauarten, die oft nach den Entwicklern benannt werden. Als Anfänger braucht man nur zwei davon zu kennen: den Newton und den Cassegrain.

Newton

Der Hauptspiegel des Newton-Teleskops ist ein Parabolspiegel. Das Licht fällt nach der Reflexion am Hauptspiegel auf einen planaren Sekundärspiegel, der im Winkel von 45 Grad vor dem Brennpunkt im Tubus sitzt. Durch ihm das Licht senkrecht aus dem Tubus geleitet. Man schaut also senkrecht zur Beobachtungsrichtung in den Tubus.

Strahlengang durch einen Newton.

Ein typischen Newton auf einer parallaktischen Montierung und Säule. Die weiße Fläche an der Gegengewichtsachse ist ein Sonnenprojektionsschirm.

Cassegrain

Bei einem Cassegrain sitzt der Sekundärspiegel gerade im Lichtweg, das Licht fällt durch ein Loch im Hauptspiegel aus dem Tubus. Man schaut also, wie beim Refraktor, in Beobachtungsrichtung. Außerdem ist der Sekundärspiegel nicht planar, sondern hyperbolisch geschliffen, dadurch wird der Lichtweg bis zum Brennpunkt verlängert. So erhält man bei gleicher Baulänge eine größere Brennweite gegenüber dem Newton. Allerdings ist der Sekundärspiegel gegenüber dem Newton um einiges größer. Dadurch geht ein größerer Teil der Öffnung verloren, er hat eine größere "Obstruktion".

Strahlengang durch einen Cassegrain. Allerdings ist bei einem Cassegrain der Sekundärspiegel leicht konvex geformt, wodurch die Brennweite des Teleskops verlängert wird. (Verlag Harri Deutsch, DeskTop, Stöcker: Physik, Hades)

Im Handel findet man selten reine Cassegrain-Systeme, da sie eine Reihe Abbildungsfehler zeigen. (Zu den einzelnen Abbildungsfehlern wird im nächsten Kapitel noch Genaueres gesagt.) Deswegen wird eine Korrekturplatte in den Strahlengang gebracht. Praktischerweise sitzt dann der Sekundärspiegel auf dieser Platte. Da die Platte von einem Herrn Schmidt entwickelt wurde, nennt man dann den Teleskoptyp "Schmidt-Cassegrain".

Neben diesen beiden wichtigsten Vertretern der Reflektoren gibt es eine Reihe weiterer Bauarten. So kann man z.B. die Schmidtplatte auch vor einen Newton setzen ("Schmidt-Newton"). Des Weiteren findet man im Handel häufig "Maksutov"-Teleskope. Diese ähneln den Schmidt-Cassegrain, nur sind die Korrekturplatte und der Sekundärspiegel anders geformt. Viele Spiegelteleobjektive, die man für Fotoapparate kaufen kann, sind z.B. nach dieser Bauart gefertigt.

Die Montierung

Der Tubus eines Teleskops muss natürlich dreh- und schwenkbar gehalten werden. Wer schon einmal mit einem Fernglas die Sterne beobachtet hat, wird sicherlich festgestellt haben, wie schwer es ist, dieses relativ kleine Instrument mit nur einer schwachen Vergrößerung ruhig zu halten. Durch die Unruhe der Hand zittern die Sterne im Blickfeld. Bei den viel schwereren und größeren Teleskopen, mit denen man zum Teil mit mehreren hundertfacher Vergrößerung arbeitet, ist eine stabile Montierung besonders wichtig. Das Beobachten macht nur wenig Freude, wenn das Bildfeld bei jeder Bewegung am Teleskop vibriert.

Eine vernünftige Montierung zu konzipieren ist nicht einfach. Ein größerer Spiegel bzw. ein Linsenobjektiv ist der schwerste Teil des Teleskops, und diese Masse sitzt ausgerechnet am Ende einer langen Röhre, die in allen Richtungen beweglich aufgehängt werden muss. Mit der Zeit möchte der Amateurastronom sein Teleskop aufrüsten, vielleicht einen zweiten Tubus anbringen, schwere Okulare verwenden, Fotoapparat anschließen...

Wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen den unterschiedlichen, auf dem Markt zu erwerbenden Montierungen, sind der Winkel der Achsen und die Befestigung des Tubus.
Im Folgenden sollen kurz die wichtigsten Typen von Montierungen vorgestellt werden.

Azimutale oder Horizontale Montierung

Das Teleskop lässt sich waagerecht, d.h. parallel zum Horizont, und senkrecht nach oben und unten bewegen. Dieser Montierungstyp wird in Amateurkreisen nur bei den billigsten Teleskopen (von z.B. Kaffeeläden) eingesetzt und ist mit Foto- bzw. Videokamerastativen vergleichbar. Der Nachteil dieser Montierung liegt in der Tatsache, dass man beide Achsen bewegen muss, wenn man ein Objekt am Himmel längere Zeit beobachten will. Außerdem dreht sich das Bildfeld während der Bewegung, so dass dieser Montierungstyp für Astrofotografie fast ungeeignet ist.

Prinzipskizze einer solchen Montierung

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Simulation des Bildes von Saturn bei gewöhnlicher Vergrößerung. Man sieht, dass Planetenbeobachtungen ohne Nachführung sehr unbefriedigend ist. Bei der azimutalen Montierung muss man beide Achsen bewegen, damit das Objekt im Blickfeld bleibt.

Deutsche oder Parallaktische Montierung

Bei diesem Montierungstyp umgeht man die Nachteile einer azimutalen Montierung. Eine der beiden Achsen wird genau auf den Himmelspol ausgerichtet (Polachse). Dies geschieht durch eine drehbar gelagerte Polwiege, die auf den Breitengrad des Beobachtungsstandortes eingestellt wird (= Höhe des Himmelspols über dem Horizont). Ist ein Objekt im Teleskop eingestellt, so braucht man dann nur noch diese Achse zu drehen, um das Objekt über eine längere Zeit zu beobachten bzw. zu fotografieren. Während der Bewegung bleibt das Blickfeld stabil, im Gegensatz zur azimutalen Montierung dreht es sich nicht. Die andere Achse wird "Deklinationsachse" genannt.

Prinzipskizze einer parallaktischen Montierung

Deutsche Montierung auf einem Dreibeinstativ.

Die genaue "Einnordung" der Montierung geht am einfachsten durch ein sog. "Polsucherfernrohr", das sich in der hohlen Polachse befindet. Durch dieses kleine Fernrohr kann man den Polarstern anvisieren.

Fast alle größeren amateurastronomischen Teleskope stehen auf einer solchen Montierung. Sie ist - gemessen an ihrer Stabilität - sehr kompakt. Aber auch solche Montierungen haben einige Nachteile. Zum einen muss das Teleskop mittels eines Gegengewichts austariert werden, sonst bleibt seine Lage bei offenen Achsenklemmen nicht stabil und die Achsen, ihre Lager und die Schneckengetriebe werden unnötig belastet. Bei längeren Tuben, besonders bei Refraktoren, bekommt man Probleme, wenn man zenitnahe Objekte beobachten will. Die Säule bzw. das Dreibein behindert in solchem Fall die Bewegung des Rohres. (Es macht außerdem nur wenig Freude, wenn das Okular sich in Bodennähe befindet!) Bei einer Änderung der Beobachtungsrichtung von der Ost- in die Westlage (und umgekehrt) muss das Teleskop umgeschlagen werden, eine Bewegung, die wenn man sie noch nie gesehen hat, auch nicht vorstellen kann.

Gabelmontierung

Bei diesem Typ, der im Wesentlichen für kleine, kompakte Teleskope (z.B. Cassegrain) eingesetzt wird, befindet sich der Tubus an zwei Achsenzapfen, die an den Zinken einer Gabel gelagert sind. Die Gabel kann wiederum drehbar (Polachse) an einer Polwiege montiert sein, so dass das Teleskop parallaktisch aufgeängt ist. Einfache Gabelmontierungen sind nur azimutal ausgelegt. Die Vorteile dieses Types sind vergleichbar mit denen der parallaktischen Montierung, die Achsen sind aber kleiner und die Anforderungen hinsichtlich der Steifigkeit sind schwieriger zu erfüllen. Die Biegesteifigkeit der langen Gabelarmen und die Stabilität der Polwiege sind die Schwachpunkte vieler Gabelmontierungen. Ferner erweist sich das genaue Einnorden für den Anfänger als schwierig.

Das Schmidt-Cassegrain-Teleskop auf diesem Bild sitzt auf einer parallaktischen Gabelmontierung.

Dobson-Montierung

Bei diesem Typus handelt es sich um eine azimutal aufgestellte Gabelmontierung, was im Puncto Statik eine günstige Variante der Gabelmontierung darstellt. Allerdings treten wieder alle Nachteile einer azimutalen Montierung auf. Die sog. Elevationsachsen sind zu flachen Scheiben reduziert, die in einfachen Sattellagern liegen. Die Azimutachse besteht einfach aus einem Zapfen. Die Lager sind mit Teflon ausgelegt, wodurch einerseits eine ruckfreie Bewegung ermöglicht wird, andererseits der Tubus in jeder Position stabil bleiben kann.

Dobson-Montierung

Aufgebauter Newton mit Dobson-Montierung

Der große Erfolg der Dobson-Montierung beruht auf der einfachen Bauweise. Man findet diese Montierung oftmals zusammen mit relativ großen Newton-Teleskopen (Spiegeldurchmesser von mehr als 300 mm), wodurch für die rein visuelle Beobachtung preiswerte und große Teleskope zur Verfügung stehen. Für Anfänger ist die Handhabung möglicherweise etwas problematisch, da es schwierig ist, bei hoher Vergrößerung das Objekt in der Bildmitte zu halten. Auch kann man schlecht am Tubus entlang peilen, was das Aufsuchen von Objekten erschwert.

Alle parallaktisch ausgerichteten Montierungen lassen sich auf einfachste Art "nachführen", d.h. ein Motor kann die Rotation der Erde bzw. das scheinbare Wandern eines Objektes am Himmel ausgleichen. Dabei genügt bei diesen Montierungen nur ein Motor, der die sog. Rektaszentionsachse (= Polachse) gleichmäßig (eine Umdrehung pro 24 Stunden) dreht.

Eine einfache Nachführung besteht nur aus einem Motor.

Bei den anderen Montierungstypen müssen beide Achsen ungleichmäßig bewegt und das Bildfeld zusätzlich entsprechend gedreht werden. Dazu müssen also insgesamt 3 Motoren auf unterschiedliche Art angesteuert werden, was zwar durch moderne Computertechnik kein prinzipielles Problem ist, aber doch ein größerer Aufwand (und Kostenpunkt) darstellt.

Beim Kauf der Montierung sollte neben der Stabilität auf möglichst kleinem Spiel im Getriebe und einem leichten aber präzisen Gang geachtet werden. Das Teleskop sollte sich ohne größere Kraftaufwand bewegen lassen, aber trotzdem in jeder Lage stabil stehen.

Stative und Säulen

Die montierten Teleskope müssen selbstverständlich auf Stative bzw. Säulen gestellt werden, wobei man beim Kauf auf eine ausreichende Stabilität und eine geeignete Höhe achten soll. Bei einem Newton-Teleskop bietet sich eine kleine Säule bzw. ein Dreibein an, da das Okular am oberen Ende des Tubus sitzt. Bei einem Refraktor bzw. Cassegrain ist dies umgekehrt. Bei festen Beobachtungsplätzen, wie z.B. dem eigenen Garten, ist es ideal, wenn man eine schwere, mit Sand gefüllte Stahlsäule in den Boden betoniert. Amateurastronomen, die mobil bleiben wollen und müssen, sollen beim Kauf einer Säule auf Gewicht und die Größe achten.

Okulare

Das Okular hat die Aufgabe, das Bild im Fokus des Objektivs zu vergrößern. Da das Okular hinter dem Fokus des Objektivs sitzt, erscheint das Bild im Okular auf dem Kopf und seitenverkehrt. Auch bei den Okularen gibt es viele verschiedene Bauweisen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Es gibt keine Regeln, welches Okular das "beste" ist, da jedes Okular seine Aufgabe hat. Umgekehrt gilt aber: es existieren Okulare, die allein wegen ihrer Bauweise nicht zu gebrauchen sind.

Die Hauptkriteren von Okularen sind die Brennweite, aus der sich die Gesamtvergrößerung des Teleskops berechnet (wird später besprochen), das scheinbare Blickfeld (dazu auch später mehr) und den Hülsendurchmesser, der darüber entscheidet, ob das Okular überhaupt an das Teleskop, bzw. an den Auszug passt. Gängige Hülsendurchmessern sind 24,5 mm (0,96"), 31,8 mm (1,25") und 50 mm (2"). Die kleinste der drei Größen findet man oft bei den billigsten Teleskopen; man sollte sie vermeiden und darauf achten, dass das Teleskop für mindestens 31,8 mm-Okulare ausgelegt ist.

Gute Okulare bestehen aus mindestens 4 Linsen bzw. Linsengruppen, die die einzelnen Abbildungsfehler auskorrigieren und ein scheinbares Gesichtsfeld von mindestens 50 Grad ermöglichen. Je kleiner das Blickfeld, desto kleiner ist der Ausschnitt des Himmels im Okular. Bei der Beobachtung von Planeten ist dies nicht so wichtig, da man sich sowieso nur auf ein Objekt in der Mitte des Gesichtsfeldes konzentriert. Da stört es wenig, wenn man durch eine "Röhre" blickt. Andererseits macht es Freude, wenn bei einem Blick in die Tiefen des Weltalls das Okular nicht zu bemerken ist, da das gesamte Gesichtsfeld vom Bild eingenommen wird. Man scheint im Weltall zu schweben.

Die einzelnen Bauweisen haben Bezeichnungen, die oft nach den Erfinder benannt wurden. Man unterscheidet z.B. "Huygens", "Mittenzwey", "Kellner", "Steinheil", "Plössel", "Erfle", "Ramsden", "Orthoskopisch", "Wide-Angle",... Alle Eigenschaften aller Typen hier aufzulisten wäre nicht sinnvoll, deswegen werden jetzt hier nur die wichtigsten erwähnt. Die einzelnen Eigenschaften und Abbildungsfehler werden zu einem späteren Zeitpunkt genau besprochen.

Huygens-Okular

Dieses zweilinsige Okular gehört zu den einfachsten Bauarten und man findet es immer noch im Lieferumfang vieler Einsteigerteleskope. Durch die starke Krümmung der Schärfeebene ist nur ein scheinbares Gesichtsfeld von weniger als 50 Grad nutzbar. Dies spielt aber bei hohen Vergrößerungen, z.B. bei Planetenbeobachtung, keine Rolle, deswegen werden sie gerne als preiswerte kurzbrennweitige Okulare genutzt.

Orthoskopisches Okular

Die orthoskopischen Okulare nach Abbe und nach Plössel sind sehr beliebte Okulare. Sie haben eine sehr gute chromatische Korrektur und sind weitestgehend verzeichnungsfrei. Das Bild der Okulare entsteht allerdings ein paar Zentimeter hinter der letzten Linse, so dass man das Auge ruhig über dem Okular halten muss und nicht auf den Okularrand drücken kann. Augenmuscheln können dabei helfen.

(Ultra-)Wide-Angle

Wie der Name schon sagt, ist die Stärke dieses Okulatypes das mit bis zu 85 Grad große Gesichtsfeld. Das macht ihn besonders nützlich, wenn man schwache, ausgedehnte Objekte wie Gasnebeln beobachten möchte. Nachteil dieser Bauart ist der Preis, der sich nicht unter 250 EUR bewegt und leicht (je nach Brennweite) über die 500-EUR-Grenze kommt.

Okularauszug

Die Okulare werden an den sog. "Auszügen" am Teleskop befestigt. Diese dienen zur Schärfenregulierung, indem z.B. das Okular vor- und zurückbewegt wird oder die Lage des Haupt- bzw. Sekundärspiegel verschoben wird. Auch hier sollte man beim Kauf darauf achten, dass der Auszug sich ohne großen Kraftaufwand und Spiel drehen lässt und präzise arbeitet.

Bei Refraktoren oder Cassegrain-Teleskopen setzt man oft zwischen dem Auszug und dem Okular noch ein Zenitprisma. Dieses Glasprisma lenkt das Licht um 90 Grad um, so dass eine bequemere Beobachtungshaltung möglich ist. (Natürlich geht dies auch mit einem "Zenitspiegel".)

Okularauszug mit Zenitprisma und Okular

Fragen:


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