Sternbeobachtung

Astronomie

Sternbeobachtung

  • Wie orientiert man man sich auf der Himmelskugel
  • Wie bestimmt man eigentlich Entfernungen im Weltall?
  • Warum sind die Sterne unterschiedlich hell?

Die Himmelskugel ist eine scheinbare, den Beobachter allseitig umgebende Kugel mit beliebig großem Radius, auf welche die Gestirne projiziert werden. Bei genügend großem Radius dieser Himmelskugel ist der Erdradius vernachlässigbar. Auf der Himmelskugel ist folgendes definiert:

Bezogen auf die Erdachse:

Himmelsnordpol und Himmelssüdpol in Verlängerung der Erdachse zu Erdnord- und Erdsüdpol.

Himmelsäquator als Schnitt der Erdäquatorebene mit der Himmelskugel.

Der Himmelsäquator trennt (teilt) die Himmelskugel in nördliche und südliche Himmelshalbkugel.

Bezogen auf den Standpunkt des Beobachters:

Zenit ist der Punkt der Himmelskugel senkrecht über dem Beobachter.

Nadir ist der Punkt auf der unsichtbaren Hälfte der Himmelskugel senkrecht unter dem Beobachter.

Horizontebene ist eine Ebene durch den Beobachtungspunkt ( » Erdmittelpunkt) senkrecht auf der Lotgeraden (Zenit – Nadir).

Horizontlinie ist die Schnittlinie von Horizontebene und Himmelskugel und trennt sichtbaren Himmelsbereich und nicht sichtbaren Himmelsbereich.

Der Großkreis der Himmelskugel, der Himmelsnordpol, Himmelssüdpol, Zenit und Nadir enthält, heißt Himmelsmeridian.

Im Himmelsmeridian erreichen alle Sterne ihre größte Höhe über dem Horizont, die obere Kulmination. Entsprechend bezeichnet man die geringste Höhe über dem Horizont als untere Kulmination.

Die gegenseitige Lage von Horizont- und Äquatorebene hängt von der gegraphischen Breite jedes Beobachters ab.

Himmelsdistanzen werden stets in Winkeln (im Gradmaß oder Zeitmaß) angegeben.

Den Winkel senkrecht über dem Horizont bezeichnet man als Höhe.

Es gibt die Polhöhe hp und die Äquatorhöhe hÄ

Es gelten folgende Beziehungen:

hp = φ : Polhöhe gleich geographische Breite des Beobachters

hÄ = 90° - φ

Orientierung auf der Erdkugel

Nullmeridian in Greenwich
Von Takasunrise0921 [GFDL, CC-BY-SA-3.0, CC-BY-2.5], via Wikimedia Commons
 

Auf der Erdkugel werden Orte durch 2 Polarkoordinaten angegeben, der geographischen Länge (Azimutwinkel) \(\lambda \), das ist der Winkel zwischen dem (willkürlich festgelegten und durch Greenwich in der Näche von London verlaufenden) Nullmeridian und dem Ortsmeridian und der geographische Breite \(\varphi \), das ist der Winkel um den man den vom Erdmittelpunkt ausgehenden Vektor aus der Äquatorebene drehen muss um zum Breitenkreis des Ortspunkts zu gelangen.

Beispiele

München: \({\lambda _{\rm{M}}} = 11,6^\circ \), \({\varphi _{\rm{M}}} = 48,1^\circ \)

Kapstadt: \({\lambda _{\rm{K}}} = 18,4^\circ \), \({\varphi _{\rm{K}}} = -34,0^\circ \)

Greenwich: \({\lambda _{\rm{G}}} = 0,0^\circ \), \({\varphi _{\rm{G}}} = 51,5^\circ \)

Das Horizontsystem

Das Horizontsystem wird angewendet bei azimutal montierten Fernrohren; bei der azimutalen Montierung dreht sich das gesamte Fernrohr um eine vertikale (d.h.senkrecht zur Erdoberfläche stehende) Hauptachse; das Beobachtungsinstrument selbst lässt sich um eine horizontale Achse zwischen Horizont und Zenit schwenken.

Den Winkel zwischen Nordpunkt und dem Schnittpunkt des Vertikalkreises durch das Gestirn bezeichnet man als Azimut \(A\), den Winkel zwischen Gestirn und Horizontebene bezeichnet man als Höhe \(h\), den Winkel zwischen Gestirn und Zenit nennt man Zenitdistanz \(z\). Es gilt demnach \(z + h = 90^\circ \).
 

Definierte Richtung: Richtung der Schwerkraft
Grundkreis: Horizont
Polpunkte: Zenit – Nadir
Nullpunkt: Nordpunkt des Horizonts
Bezeichnung der Kreise: Vertikalkreise (Senkrecht zur Horizontebene), Horizontalkreise (Parallel zur Horizontebene)
Koordinaten: Azimut \(A\), Höhe \(h\)
Abhängigkeit: \(A\) und \(h\) sind abhängig von Beobachtungsort und -zeit

Das Äquatorialsystem

Das Äquatorialsystem wird angewendet bei parallaktisch (äquatorial) montierten Fernrohren; bei der parallaktischen Montierung dreht sich das gesamte Fernrohr um eine Achse, die genau parallel zur Erdachse ausgerichtet ist (Stundenachse); die zweite, darauf senkrechte stehende Achse weist zum Himmelsäquator und wird Deklinationsachse genannt..

Den Winkel auf der Äquatorebene zwischen Meridian und Stundenkreis des Gestirns bezeichnet man als Stundenwinkel \(t\), den Winkel auf der Äquatorebene zwischen Frühlingspunkt und Stundenkreis des Gestirns bezeichnet man als Rektaszension \(\alpha \). Die Winkel \(t\) und \(\alpha \) werden als die Zeit in Stunden angegeben, die seit der oberen Kulmination des Gestirns bzw seit dem Frühlingspunkt vergangen ist. Den Winkel zwischen Gestirn und Äquatorebene bezeichnet man als Deklination \(\delta \).
 

Definierte Richtung: Richtung der Rotationsachse der Erde
Grundkreis: Himmelsäquator
Polpunkte: Nördlicher und südlicher Himmelspol
Nullpunkt: Fest: Schnittpunkt von Himmelsmeridian und Himmelsäquator
Beweglich: Frühlingspunkt auf Himmelsäquator
Bezeichnung der Kreise: Stundenkreise (Senkrecht zur Äquatorebene)
Parallelkreise (Parallel zur Äquatorebene)
Koordinaten: Stundenwinkel \(t\), Rektaszension \(\alpha \), Deklination \(\delta \)
Abhängigkeit: \(t\) ist abhängig von Beobachtungsort und -zeit,
\(\delta \) und \(\alpha \) sind unabhängig von Beobachtungsort und -zeit

Verlängert man die hintere Achse des großen Wagens 5 mal um sich selbst, so kommt man zum Polarstern, der in seiner Umgebung mit einer visuellen Helligkeit von 1,97 mag der absolut hellste Stern ist.
Er steht nahe des Himmelsnordpols und lässt sich daher zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung nutzen.

 

Die Höhe h des Nordsterns entspricht der geographischen Breite φ des Beobachters.

Bei 80° geographischer Breite steht der Nordstern fast im Zenit, die Nordrichtung ist dort schwer mit bloßem Auge bestimmbar.

Bei 50° geographischer Breite steht der Nordstern hoch im Norden.

 

Bei 30° geographischer Breite steht der Nordstern niedrig im Norden und ist gut zur Nordrichtungsfestlegung geeignet.

Am Äquator steht der Nordstern genau am Horizont.

 

Stellt man einen Fotoapparat auf ein feststehendes Stativ und fotografiert bei klarem Nachhimmel mit langer Belichtungszeit (mehrere Stunden) so ergibt sich ein Bild, wie das nebenstehende. Alle Sterne zeichnen Kreisbögen mit unterschiedlichem Radius und dem Polarstern im Kreiszentrum. Die Mittelpunktswinkel der Kreisbögen sind alle gleich und lassen sich aus der Belichtungszeit berechnen.

Historisch:

Heraklid von Pontos (388 – 315v.Chr.) vermutete als erster, dass die scheinbare tägliche Bewegung der Gestirne auf die Erdrotation zurückzuführen ist.

Platon (427-347 v.Chr.)– Aristoteles (383-322 v.Chr.) - Hipparch (190-125 v.Cr.) und Ptolemäus(87-170 n. Chr.) erklären die Sphären als um die Erde kreisende Kristallkugeln. Hipparch führte die Epizyklen der Planetenbahnen ein.

Auf Grund der Erddrehung gehen Sterne, Planeten, Sonne und Mond im Osten auf und im Westen unter. Dies ist allerdings nur für Sterne in der Äquatorebene richtig.
Sterne die nördlich der Äquatorebene sind (\(\delta > 0\)), gehen im Nordosten auf und im Nordwesten unter und Sterne die südlich des Äquators sind (\( \delta < 0\)), gehen im Südosten auf und im Südwesten unter.

Auf dem Himmelmeridian, der durch Zenit, Nadir, Nord- und Südpunkt verläuft, haben die Sterne ihre größte Höhe \(h_{o}\) (die obere Kulmination) und geringste Höhe \(h_{u}\) (untere Kulmination).

Es gilt: \[ h_{o} = \delta + h_{ä} \] und \[ h_{u} = \delta - h_{ä} \]

wegen \( h_{ä} = 90^\circ - \varphi \) gilt
\[ \begin{array}{} h_{o} = \delta + \left( 90^\circ - \varphi \right) \\ \, \\
h_u = \delta - \left( 90^\circ - \varphi \right) \end{array} \]

Begriffe:
Zirkumpolarsterne, sind Sterne, die immer über der Horizontebene sind: \( h_{u} > 0 \quad \Rightarrow \quad \delta > 90^\circ - \varphi \)
Ein Stern ist nie sichtbar, wenn er immer unter der Horizonteben ist: \( h_{o} < 0 \quad \Rightarrow \quad \delta < - \left( 90^\circ - \varphi \right) \)
Sterne mit \( - \left( 90^\circ - \varphi \right) < \delta < 90^\circ - \varphi \) sind zeitweise sichtbar.

Sonderlagen:
Am Pol sind alle sichtbaren Sterne zirkumpolar und sonst keine sichtbar.
Am Äquator gibt es keine zirkumpolaren Sterne, keine unsichtbaren Sterne, alle sind zeitweilig sichtbar.

Zeiten und Winkel:
Die Zeit seit seiner oberen Kulmination (Südrichtung) ist der Stundenwinkel t eines Gestirns.
Der Winkel von Norden bis zum Fußpunkt des Sterns ist der Azimut A.
Es gilt nicht \(A + 180^\circ = t\) (in Grad umgerechnet)!

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