Sternbeobachtung

Astronomie

Sternbeobachtung

  • Wie orientiert man man sich auf der Himmelskugel
  • Wie bestimmt man eigentlich Entfernungen im Sonnensystem?
  • Wie bestimmt man Positionen am Himmel?

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 werden Größen bzw. Beziehungen definiert, die nachfolgend durch Grafiken verdeutlicht werden. Hierbei stellen wir uns vor, dass wir von außen auf die gedachte Himmelskugel schauen. Gleichzeitig befinden wir uns aber in der Mitte dieser Kugel.

Definitionen bezogen auf die Erdachse

Himmels-nordpol -suedpol
Abb.
2
Himmelsnordpol, Himmelssüdpol
Himmelsnordpol und Himmelssüdpol sind die Punkte an der Himmelskugel, die dem Nordpol und dem Südpol auf der Erde entsprechen. Sie markieren die Punkte, wo die gedachte, verlängerte Erdachse durch die Himmelskugel sticht.

himmelsaequator
Abb.
1
Der Himmelsäquator
Der Himmelsäquator ist die Projektion des Erdäquators auf die Himmelskugel. Wenn wir uns eine Ebene denken, die durch den Erdäquator definiert wird – die Äquatorebene – so schneidet sie die Himmelskugel am Himmelsäquator.

 

Definitionen bezogen auf den Standpunkt des Beobachters

Winkelkulmination
Abb.
3
Bezeichnungen und Winkel zur Orientierung am Sternenhimmel
Zenit ist der Punkt der Himmelskugel senkrecht über dem Beobachter.

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

Die Horizontebene trennt die Himmelskugel in zwei Hälften, in eine für uns beobachtbare Halbkugel (Hemisphäre genannt) und eine für uns nicht einsehbare Hemisphäre. Diese Ebene steht senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen Zenit und Nadir. Sie hat denselben Radius wie die Himmelskugel. Die Horizontebene ist eine Tangentialebene, die die Erdoberfläche an unserem Standpunkt berührt. Aufgrund der Ausdehnung der Himmelskugel ist ihr Abstand zum Erdmittelpunkt in dieser Darstellung jedoch vernachlässigbar.

Die Schnittlinie zwischen der Horizontebene mit der Himmelskugel ist ein Kreis und wird Horizontlinie genannt.

Himmelsmeridian

Der Großkreis der Himmelskugel, der Himmelsnordpol, Himmelssüdpol, Zenit und Nadir enthält, heißt Himmelsmeridian. Ein Großkreis ist ein Kreis auf einer Kugel, dessen Radius dem der Kugel entspricht. Er trennt eine Kugel in zwei gleich große Hälften.

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.

Wichtige Größen und Beziehungen

Himmelsdistanzen werden stets in Winkeln (im Gradmaß oder Zeitmaß) angegeben.
Den Winkel senkrecht über dem Horizont bezeichnet man als Höhe.
Es gibt die Polhöhe \(h_{\rm P}\) und die Äquatorhöhe \(h_{\rm Ä}\).

Es gelten folgende Beziehungen:
\(h_{\rm P}=\varphi\): Die Polhöhe ist gleich der geographischen Breite des Beobachters
\(h_{\rm A}=90^{\circ}-\varphi \)

Der Winkel entlang des Horizonts wird als Azimut bezeichnet. Meistens erhält der Nordpunkt den Azimutwinkel 0°. Manchmal wird stattdessen dem Südpunkt am Horizont ein Azimut von 0° zugewiesen. Der (oder das) Azimut verläuft im Uhrzeigersinn.

Orientierung auf der Erdkugel

Laegen- Breitengrade
Abb.
1
Auf der Erdkugel werden Orte durch zwei Polarkoordinaten angegeben.
Auf der Erdkugel werden Orte durch 2 Polarkoordinaten angegeben: Die geographischen Länge \(\lambda \) ist der Winkel zwischen dem (willkürlich festgelegten und durch Greenwich in der Nähe von London verlaufenden) Nullmeridian und dem Ortsmeridian. Die geographische Breite \(\varphi \) 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: \({\lambda _{\rm{G}}} = 0,0^\circ \), \({\varphi _{\rm{G}}} = 51,5^\circ \)

Orientierung auf der Himmelskugel

Das Horizontsystem

Horizontsystem
Abb.
2
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 \(z + h = 90^\circ \).

 

Horizontsystem Himmelskugel
Abb.
3

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

Aequatorialsystem
Abb.
4
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 \(\delta \).

Aequatorialsystem Himmelskugel
Abb.
4

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
3 Wichtigste Größen zur Orientierung in Horizont- und Äquatorsystem

Bestimmung der Nordrichtung mit dem Nordstern (Polarstern)

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

 

Lage des Nordsterns an verschiedenen Beobachterpositionen

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.

Sternenbewegung bei Langzeitbelichtung

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.

Historische Vermutungen zur Sternenbewegung

Heraklid von Pontos (388-315 v. 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. Chr.) und Ptolemäus(87-170 n. Chr.) erklären die Sphären als um die Erde kreisende Kristallkugeln. Hipparch führte die Epizyklen der Planetenbahnen ein.

Lauf der Gestirne

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

Wichtige 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 Horizontebene 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.

Gestirne an den besonderen Standorten geographischer Pol und Erdäquator

Am geographischen Pol sind alle sichtbaren Sterne zirkumpolar und sonst keine sichtbar.
Am Erdäquator gibt es keine zirkumpolaren Sterne, keine unsichtbaren Sterne, alle sind zeitweilig sichtbar.

Druckversion