Riesenteleskop

Riesenteleskop
Das sogenannte Riesenfernrohr der Berliner Gewerbeausstellung 1896. Es wurde unlängst renoviert und ist wieder an der Archenhold-Sternwarte im Einsatz.

Als Riesenteleskope wurden im 18. und 19. Jahrhundert astronomische Fernrohre mit ungewöhnlich großen Dimensionen bezeichnet. Dies konnte sich sowohl auf die Länge (Brennweite) des Teleskops als auch auf die Öffnung (Apertur) seines Objektivs beziehen. Die Großinstrumente des 18. Jahrhunderts waren vor allem Metall-Spiegelteleskope. Das 19. Jahrhundert brachte hingegen lange Fernrohre hervor, die das Licht mit großen Linsen bündelten.

Die Bezeichnung „Riesenteleskop“ war in der Fachwelt der zwei Jahrhunderte zwar gebräuchlich, allerdings nicht klar definiert. Manche Medien verwenden die Bezeichnung bis heute auch für die großen Spiegelteleskope der Gegenwart.

Inhaltsverzeichnis

Objektivlinse versus Spiegel

Die Frage, welche Bauweise für die Astronomie günstiger ist, wurde jahrhundertelang kontrovers diskutiert (siehe nächster Abschnitt). Seit der Erfindung des Spiegelteleskops (um 1650) wird für dieses die Farbreinheit und die Möglichkeit größerer Durchmesser ins Treffen geführt. Nachteile waren zunächst der Lichtverlust (Metallspiegel), generell die stärkere Beugung am Hilfsspiegel und die schwierigere Justierung. Für den Refraktor sprach (und spricht bis heute für Amateurastronomen) vor allem die bessere Auflösung feiner Details und der meist geringere Einfluss der Luftunruhe.

Was die technisch mögliche Größe und die Verwendbarkeit für die jeweiligen Forschungsziele betrifft, haben sich die zwei Bautypen seit etwa 1750 mehrfach abgewechselt und viele Innovationen sowohl im optischen System, in der Mechanik, der Montierung und der verwendeten Sensoren erlebt. In der Forschung dominieren heute die Spiegelteleskope.

Während um 1800 ein Teleskopspiegel von 50 cm Durchmesser bereits als außerordentlich groß galt – ebenso wie um 1850 ein 50-cm-Objektiv eines Refraktors – liegt diese Marke heute bei Spiegelgrößen von 6–10 m und wird bis mindestens 20 m steigen. Demgegenüber endete die Größenentwicklung von Linsensystemen um die Jahrhundertwende bei 90–100 cm, weil sich der Glaskörper der Linse ab dieser Größe bereits merklich unter seinem Eigengewicht verformt. Bei Spiegeln treten solche Probleme nicht auf, weil sie anders als die Linsen, die nur am Rand durch ihre Fassung gehalten werden, auf Ihrer gesamten Fläche von hinten gestützt werden können.

17. Jahrhundert: Problematik der Linsenfehler und Lichtstärke

Hevels Riesenteleskop

Bald nach der Erfindung des Fernrohrs im Jahre 1609 durch Galilei, Kepler und Stafford folgten die Bestrebungen, deren Vergrößerung und insbesondere die Lichtstärke der nur etwa 3 cm großen Objektive zu steigern. Während sich stärkere Vergrößerungen relativ bald durch längere Brennweiten erzielen ließen, standen einer höheren Bildhelligkeit die mit der Objektivgröße stark anwachsenden Farb- und Linsenfehler entgegen. Vor der Entwicklung zweilinsiger Achromate (John Dollond um 1760) konnte man große Objektive ausreichender Bildschärfe nur durch sehr flachen Linsenschliff, also extrem langer Brennweite, erzielen.

Besonders spektakulär waren die langen Linsenfernrohre des Danziger Bürgermeisters Hevelius, die er in den Jahren um 1670 auf der Terrasse des Rathauses und später vor den Stadttoren aufstellen ließ. Das größte Teleskop am Rathaus hatte eine Länge von etwa 10 Metern und war die Sensation mancher Staatsempfänge. Auch das wohl längste Fernrohr aller Zeiten geht auf Hevel zurück. Es war etwa 25 Meter lang und auf einem etwa 20 Meter hohen Mast an einem Flaschenzug montiert. Weil ein durchgängiger Tubus zu schwer gewesen wäre, wurde das seitliche Streulicht durch ein System von 20 Blenden verringert. Wegen seiner extremen Windempfindlichkeit und schwer zu bedienenden Montierung (den Flaschenzug musste ein Gehilfe auf der Mastspitze bedienen) war dieses Riesenteleskop aber für die astronomische Praxis nur von beschränktem Wert.

Schröters Spiegelteleskope

Rosses Riesenteleskop

Der nächste Entwicklungsschritt folgte im Bautyp des Spiegelteleskops, das angeblich auf Isaac Newton (1643–1727) zurückgeht und dessen einfachster Typ (gebaut 1672) nach ihm benannt ist.

Furore machten aber erst 100 Jahre später die leistungsfähigen Teleskope von Hieronymus Schröter (1745–1816), die er für seine private Sternwarte Lilienthal bei Bremen baute und die die größten in Europa (und der Welt) waren. Hier entstanden die ausgezeichneten Mondbeobachtungen (publiziert als selenotopografische Fragmente), und sein als Observator eingestellter Assistent Friedrich Wilhelm Bessel wurde hier zum Astronomen ausgebildet.

Schröter begann seine später bahnbrechenden Mondbeobachtungen 1779 mit einem farbreinen Fernrohr von Dollond mit nur 6 cm Öffnung und 90 cm Brennweite. Herschels Entdeckung des Uranus (1781) veranlasste den gut situierten Beamten, bei ihm ein Spiegelteleskop 12/122 cm zu bestellen. Bald folgte ein Newton-Teleskop 17/214 cm, für das er im Garten ein zweistöckiges Observatorium errichtete. Sein Programm umfasste systematische Mond- und Sonnenbeobachtungen, die großen Planeten sowie Veränderliche, Doppelsterne und Nebel.

Sein eigentliches „Riesenteleskop“ stellte Schroeter 1794 fertig – es hatte 51 cm Öffnung und 825 cm Brennweite. Neben dem bisherigen Messprogramm konnte er damit auch die Nachtseite des Mondes untersuchen, zahlreiche Sternhaufen und Nebel entdecken und Tagbeobachtungen der hellen Planeten vornehmen. So erlangte der anfängliche Hobbyastronom bald Berühmtheit und Besuche von Astronomen, Politikern und Militärs. Mit Franz Xaver von Zach und Wilhelm Olbers gründete er 1800 die Astronomische Gesellschaft – die bald in die Spitzenforschung einstieg – und die sogenannte „Himmelspolizey“ für die gezielte Suche nach dem vermuteten Kleinplaneten zwischen Mars- und Jupiterbahn. Tatsächlich wurden 3 der 4 größten Asteroiden an Schröters großem Spiegelteleskop entdeckt.

1800 bis 1850: Metallspiegel versus Achromat

Das im 1. Abschnitt beschriebene Problem der Linsenfehler wurde prinzipiell zwar schon 1760/70 vom Franzosen J. Dollond und seinem Sohn P. Dollond gelöst, doch erst Josef Fraunhofer gelang um 1820 der Durchbruch zu größeren Linsendurchmessern. Der von Fraunhofer gebaute Dorpater Refraktor hatte beispielsweise ein 245 mm-Objektiv.

In einem Bericht an die Bayerische Akademie der Wissenschaften referierte Fraunhofer 1824 über das Dorpater Instrument: „Es ist das größte dieser Art, und auch in Hinsicht der wichtigeren Theile der Aufstellung neu … Die größten Sehwerkzeuge, welche bisher existirten, sind die aus Metallspiegeln bestehenden Teleskope. Da aber der vollkommenste Metallspiegel nur einen geringen Theil des auffallenden Lichtes reflektirt … müssen die Spiegelteleskope ungemein groß seyn … [Ferner kann] die Abweichung der Lichtstrahlen wegen der sphärischen Form der reflektirenden Flächen nicht behoben werden, und … man kann sie z.B. niemals zu Meridianinstrumenten etc. gebrauchen.“ (zitiert aus Roth)

Mit der letzten Bemerkung bezieht sich Fraunhofer auf die astronomischen Forschungsschwerpunkte seiner Zeit – die Himmelsmechanik und ihre Basis, die Geschwindigkeits- und „Positionsbestimmung der Sternenwelt“ (Astrometrie). Sogar die ersten Entfernungsmessungen zu Fixsternen gelangen durch eines seiner Patente – das für feinste Winkelmessungen konstruierte Heliometer – 1838 durch Bessel (siehe 61 Cygni).

Zwar änderte das Aufkommen der Astrophysik und der Fotografie 60 Jahre später viele Forschungsthemen, doch blieben Fraunhofers Entwicklungen noch bis etwa 1900 Vorbild für alle Instrumentenbauer Europas (siehe nächster Abschnitt). Erst das große Hooker-Teleskop auf Mount Wilson (USA) änderte um 1920 die Bauart der Großteleskope zugunsten neuerer Spiegelsysteme.

Die „Großen Refraktoren“ des späten 19. Jahrhunderts

Kuppel des Refraktors in Nizza

Im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts, als die Astrophysik und die Kleinplaneten-Forschung an Bedeutung gewann, verlagerte sich für einige Jahrzehnte die Beobachtung an neukonstruierte große Refraktoren. Ein wesentlicher Grund dafür war, dass mit ihnen sowohl genaue Spektralanalysen als auch Positionsastronomie und die Beobachtung feinster Details auf Planeten möglich war.

Den Anfang machte in Europa die Sternwarte Nizza (siehe Bild) und in Amerika das U.S. Naval Observatory in Washington mit einem rund 10 Meter langen Linsenfernrohr. Es hatte ein 26-zölliges Objektiv (etwa 65 cm Durchmesser) von ca. 100 kg Masse. Geleitet von Simon Newcomb arbeitete die Marinesternwarte vor allem an einer genauen Bestimmung der astronomischen Fundamentalkonstanten.

Etwas größer war der Große Refraktor der neuen Universitätssternwarte Wien – die damals noch weit außerhalb des verbauten Gebietes lag – mit dem 27-Zöller (68 cm Apertur), den 1875 der damalige Spitzenproduzent Grubbs in Irland konstruierte. Das Teleskop, das nach einer Renovierung bis heute in Verwendung steht und für 5 Jahre das weltweit größte war, hat eine Brennweite von über 10 Metern und wurde in einer Kuppel von 14 Metern Durchmesser montiert. Zur Bedienung waren zunächst 2 Gehilfen notwendig, später wurde der Betrieb teilautomatisiert.

Den Schwerpunkt der Wiener Beobachtungen bildeten Positionsmessungen und die Spektralanalyse von Doppelsternen und der Körper des Sonnensystems. Es entstanden u.a. die damals genauesten Aufnahmen des Gasplaneten Jupiter. Das große Instrument veranlasste den Triester Sternwartedirektor Johann Palisa, als Observator nach Wien zu wechseln. Insgesamt entdeckte er 123 Kleinplaneten und hält damit den Rekord für deren visuelle Entdeckung. Er organisierte exakte Bahnbestimmungen und gab mit Max Wolf (Heidelberg) um 1900 den fotografischen Palisa-Wolf-Sternatlas heraus.

Fast gleichzeitig wurde auf dem Telegrafenberg unweit von Berlin das Astrophysikalische Institut Potsdam gegründet. Es war das erste seiner Art und erhielt zunächst ein kleineres Teleskop als in Wien, war aber mit dem modernsten Spektroskop ausgestattet. Als Russland (in Pulkowo bei Petersburg) und die USA (Harvard, Washington) wesentlich lichtstärkere Refraktoren bauten, bestellte Potsdam seinen Großen Doppelrefraktor von 28 Zoll, mit dem gleichzeitig visuell, spektroskopisch und fotografisch beobachtet werden konnte. Er hatte 12 Meter Brennweite und wurde 1899 unter der Patronanz von Kaiser Wilhelm II. eingeweiht. Firmen aus ganz Deutschland hatten an dem 7 Tonnen schweren Fernrohr gearbeitet. Die zwei Objektive stammten aus München, die fahrbare Beobachterbühne („astronomischer Stuhl“) aus Berlin.

Bahnbrechende Entdeckungen waren u.a. die interstellare Materie, die der Wissenschafter Johannes Franz Hartmann um 1910 erforschte und die die Modellvorstellungen der Sternentstehung revolutionierte. In den 1930er-Jahren beschäftigten sich die Observatoren mit der Sterngruppe der Novae. Nach dem 2. Weltkrieg wurde der Schwerpunkt auf die Erforschung der Doppelsterne gelegt, mit denen präzise Aussagen über die Masse dieser Himmelskörper möglich wurden. Danach war der Refraktor wegen Witterungsschäden 30 Jahre außer Betrieb, wurde aber zum Jubiläumsjahr 1999 renoviert (siehe Weblink).

Den Rang, das größte Teleskop zu besitzen, verlor Wien um 1880 an das Pulkowo-Observatorium, das Russland in der Nähe seiner neuen Metropole St. Petersburg als Hauptsternwarte des Zarenreichs errichtete. Der über 10 Meter lange Refraktor hatte ein 30-Zoll-Objektiv und sollte Russland wieder ins Zentrum der globalen Astronomie rücken. Seine Qualität war hoch, litt allerdings bald unter den rauhen Bedingungen 700 km südlich des Polarkreises.

Indessen legten die Messungen am U.S. Naval Observatory die Grundlagen der modernen Astrometrie und des Fundamentalsystems der Astronomie bis zur Jahrhundertwende. Auch das Harvard-Observatorium und einige weitere Großsternwarten beteiligten sich an diesem internationalen Projekt.

Wegen der guten Erfolge von Edward Holden, dem Hauptobservator in Washington und späteren Direktor der Lick-Sternwarte, nahm die Lick-Sternwarte im Jahr 1888, 12 Jahre nach dem Wiener „Großen Refraktor“, ein mit 91 cm Öffnung noch größeres Linsenfernrohr in Betrieb. Für diesen sog. Lick-Refraktor wurde der erste Sternwartebau auf einem höheren Berg errichtet, dem klimatisch äußerst günstigen Mount Hamilton (1.327 m). Er stach mit durchschnittlich 330 sternklaren Nächten und minimaler Luftunruhe unter allen gut erreichbaren Gipfeln Kaliforniens hervor.

Edward Holden schrieb darüber 1888 (zit. aus G.D. Roth, Astronomiegeschichte): „Allmählich werde ich mit der Behandlung des grossen Teleskops vertraut und lerne, wie man am besten damit beobachtet. Es bedarf besonderer Behandlung, aber wenn alle äußeren Umstände günstig sind, so leistet es vorzügliches … Ich habe die hellsten Planeten, Nebel, die Milchstrasse … so schön gesehen wie kein Astronom vor mir. Jupiters Monde, die in anderen Teleskopen als Scheiben erscheinen, zeigen sich hier als volle runde Massen gleich den Planeten … Der berühmte Nebel im Herkules (Anm.: Kugelsternhaufen Messier 13, in dem Messier keine Einzelsterne erkannte) erscheint als eine Masse vereinzelter selbständiger Punkte.“ Holden setzt fort, er habe sich besonders angezogen gefühlt vom Wiederaufsuchen bekannter Objekte, wenn er sie mit Zeichnungen von Lord Rosse in seinem 6-füßigen Riesenreflektor verglich und seine Bilder als schärfer befand.

Dass der Lick-Refraktor einem doppelt so großen Metallspiegel überlegen war, trug 1891 zur Entscheidung bei, mit dem Yerkes-Refraktor ein noch größeres Linsenfernrohr zu bauen. Er ist bis heute der größte Refraktor der Welt. Sein 102-cm-Objektiv bedeutete jedoch den Endpunkt dieser Entwicklungsschiene, da die Glas- und Fernrohrbiegung bereits das zulässige Maß überstieg. Hinfort wurden alle Großteleskope als Spiegelteleskope konstruiert und bald nicht visuell, sondern für die Astrofotografie ausgelegt. Drei Jahrzehnte später konnte so am Mount Wilson-Observatorium der Andromedanebel erstmals in Einzelsterne aufgelöst werden, sodass die lange Diskussion, ob die Spiralnebel aus Gas beständen oder sehr ferne Welteninseln (Galaxien) seien, entschieden war.

Mount Wilson, Mount Palomar und Selentschuk

Um die Jahrhundertwende verlagerte sich der Schwerpunkt der Teleskopentwicklung zunehmend in die USA, was zu einem Gutteil auf die großzügige Förderung durch private Sponsoren zurückzuführen ist. Wissenschaftlich ergab sich für die zunehmend vordringende Astrofotografie und Astrophysik die Notwendigkeit größerer Aperturen, was die Konstruktion außerordentlich großer Spiegelteleskope anregte. Technisch war nun auch die Möglichkeit gegeben, statt Metallspiegeln solche aus Glas herzustellen.

Der erste dieser großen Reflektoren war der 1,5-m-Spiegel für die neugegründete Sternwarte am Mount Wilson. Kaum 10 Jahre später folgte bereits der 1917 installierte 2,5-Meter-Spiegel des Hooker-Teleskops, der für fast 30 Jahre das größte Spiegelteleskop der Welt darstellte. Mit ihm gelangen bahnbrechende Erkenntnisse über benachbarte Spiralnebel (damals als „Welteninseln“ bezeichnet) und die Expansion des Weltalls. Europa hatte dieser technologischen Entwicklung wegen der Weltwirtschaftskrise lange nichts entgegenzusetzen.

Nachdem 30 Jahre das Mount-Palomar-Spiegelteleskop mit 5 Metern Öffnung das größte Fernrohr der Welt war, ging dieser Rang 1975 an das sowjetische 6-m-Teleskop des Selentschuk-Observatoriums im Kaukasus. Beide dieser Riesenspiegel stellten bei ihrer Herstellung eine technische Grenzwanderung dar; allein das Abkühlen der 80 m² und 110 m² großen Glasrohlinge dauerte viele Monate.

Die Großteleskope der Gegenwart

Spiegelteleskope mit 8 bis 10 Metern wurden seit Anfang der 1980er Jahre geplant. Unter europäischer Leitung entstand beispielsweise das Very Large Telescope („Sehr Großes Teleskop“, abgekürzt VLT). Es wird von der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf dem Paranal in Chile (2.635 m) betrieben. Es besteht aus 4 Spiegelteleskopen mit je 8,2 m Öffnung, die elektronisch zu einem Verbund zusammengeschaltet werden können. Das erste dieser Großteleskope wurde 1998/99 in Betrieb genommen. Alle vier Teleskope sind für Spektralbereiche vom sichtbaren Licht bis zu mittlerem Infrarot ausgelegt und können gemeinsam für feinste Winkelmessungen (Interferometrie) genützt werden. Durch adaptive Optik ist eine merkliche Reduktion der Luftunruhe möglich, sodass das VLT fast das Auflösungsvermögen des Weltraumteleskops HST von etwa 0,1" erreicht. Auch diese vier Teleskope sind als Altazimute montiert, das heißt, ihre primäre Drehachse weist nicht zum Himmelspol, sondern zum Zenit. Dadurch ist eine merkliche Gewichtsreduktion möglich: die Nachführung der Erdrotation erfordert keine schrägen Achsen mehr wie bei den Großteleskopen des 19. und 20. Jahrhunderts, sondern erfolgt durch digitale Steuerung wie bei einem modernen – nur 100-mal kleineren – Theodolit.

Die Liste der größten optischen Teleskope weist derzeit als in Betrieb befindliche Großteleskope mit einem rechnerischen Spiegeldurchmesser von mindestens 8 m folgende Instrumente aus:

Pläne für die nächsten Jahrzehnte

Ein Ende der Entwicklung von Riesenteleskopen – wie es um 1900 bei den Linsenfernrohren nach unerwarteten Verbiegungen des 1-m-Objektivs der Yerkes-Sternwarte eintrat – ist indes bei Spiegelteleskopen nicht in Sicht. Aktuell (Anfang 2009) in Planung waren:

Darüber hinausgehende Konzepte werden derzeit nicht aktiv verfolgt. Projektstudien existieren beispielsweise für

Literatur und Quellen

Einzelnachweise

  1. E-ELT Site Chosen eso.org, Internetauftritt der Europäischen Südsternwarte, abgerufen am 19.April 2011

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