Beobachtungsinstrumente der Astronomie

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Beobachtungsinstrumente der
Astronomie
• Das astronomische Fernrohr
• Spiegelteleskope
• Moderne Technologien für
Großteleskope
• Radioteleskope
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Optische Teleskope
Welche Anforderungen müssen an den Standort eines
optischen Teleskops gestellt werden, damit dieses Instrument
optimale Beobachtungsergebnisse ermöglicht?
• große Höhe über dem Meeresspiegel
• möglichst trockene Luft
• große Häufigkeit klarer Nächte
• wenig „Lichtverschmutzung“
• wenig atmosphärische Turbulenzen
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Lichtverschmutzung als Standortproblem
astronomischer Forschung
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Was muss ein astronomisches
Fernrohr leisten?
Es soll einen Sehwinkel liefern, der im Vergleich
zum Sehwinkel mit bloßem Auge vergrößert ist.
Es soll möglichst viel Licht aufsammeln, was
dadurch erfolgt, dass man die Öffnung des
Teleskops möglichst groß wählt.
Es soll Bilder mit einer sehr hohen Auflösung
liefern.
Quelle:
http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411
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Sehwinkel
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Sehwinkel
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Sehwinkel
Quelle:
http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411
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Strahlengang im astronomischen
Fernrohr (Refraktor) nach Kepler
V = fObjektiv/fOkular; l = fObjektiv + fOkular
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Die langen Röhren des
Johann Hevelius
Das Bild zeigt die
„machina coelestis“
(Himmelsmaschine)
des Johann Hevelius
um 1670.
Warum ist das
Fernrohr so lang?
Welchen Nachteil hat
die Konstruktion?
Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“;
Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134;
S. 12
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Mond und Saturn
Wie stark muss ein Fernrohr vergrößern, damit
der Saturn (der am weitesten von der Sonne
entfernte Planet, der noch mit bloßem Auge
sichtbar ist) so groß erscheint wie der Mond
mit bloßem Auge?
(D – Durchmesser, A – mittlerer Abstand)
DMond = 3480 km; AMond = 384.000 km
Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“;
DSaturn = 120.670 km;
Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134;
A(Saturn-Sonne) = 9,5 AE S. 12
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Mond und Saturn
Wie lang muss ein astronomisches Fernrohr
mit der Okularbrennweite fOkular = 2 cm sein,
um diese Vergrößerung zu erreichen?
Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“;
Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134;
S. 12
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Aufgabe zum astronomischen
Fernrohr
Der Objektivdurchmesser eines Fernrohrs beträgt 50 mm, die
Objektivbrennweite 800 mm. Die maximal sinnvolle
Vergrößerung eines Fernrohrs beträgt das Doppelte seiner
Objektivöffnung.
Berechnen Sie die Brennweite des Okulars im Fall der
Maximalvergrößerung.
Berechnen Sie die Vergrößerung bei der Verwendung eines
Okulars mit einer Brennweite von 20 mm.
Quelle: LB Physik Gymnasium Klasse 10 Sachsen; Cornelsen Verlag Berlin 2007, S. 90
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Lichtsammelvermögen
Quelle:
http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411
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Lichtsammelvermögen
Die Lichtstrahlen werden im Brennpunkt der Objektivlinse
vereinigt und treten – da die Brennpunkte von Objektiv- und
Okularlinse zusammenfallen - als paralleles Lichtbündel am
Okular aus. Da die Lichtstrahlen nach Passieren des
Teleskops dichter beieinander liegen, ist die Lichtintensität
erhöht – man kann z.B. Objekte, deren Helligkeiten mit
bloßem Auge unter der Wahrnehmungsschwelle liegen,
beim Blick durch ein Fernrohr erkennen.
Je größer die Öffnung des Fernrohrs, desto größer ist sein
Lichtsammelvermögen.
Quelle:
http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411
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Auflösungsvermögen
Lesen Sie im LB bsv S. 199 f. und machen Sie sich zu
folgenden Schwerpunkten kurze Notizen:
Was gibt das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs an
und wodurch ist es begrenzt?
Erläutern Sie mit einer mathematischen Formel welche
Größen das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs
bestimmen.
Erläutern Sie die Begrenzung des Auflösungsvermögens
durch die Atmosphäre der Erde sowie durch optische
Abbildungsfehler.
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Auflösungsvermögen
Der Begriff Auflösungsvermögen
bezeichnet die Unterscheidbarkeit
feiner Strukturen, also z. B. den
kleinsten noch wahrnehmbaren
Abstand zweier punktförmiger
Objekte. Die Auflösung wird durch
die Beugung des Lichts an der
Öffnung des Fernrohrobjektivs
begrenzt.
Einfluss der Öffnung auf das Auflösungsvermögen
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Auflösungsvermögen
Kleinster noch auflösbarer Winkelabstand
zweier astronomischer Objekte:
α = 1,22 * λ/D
Je kleiner die verwendete Wellenlänge, desto
kleinere Winkel sind auflösbar.
Je größer die Objektivöffnung, desto kleinere
Winkel sind auflösbar
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Begrenzung des Auflösungsvermögens
durch die Erdatmosphäre
Refraktion (die nach außen hin abnehmende
Dichte der Erdatmosphäre täuscht für das Objekt
eine größere Höhe über dem Horizont vor)
Extinktion (Streuung und Absorption des Lichts an
Staubteilchen und Luftmolekülen)
Szintillation (Turbulenzen in der Erdatmosphäre
„Flimmern“ des Objekts (Seeing))
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Astronomische Refraktion
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Sonnenuntergang
Deformation der Sonnenscheibe durch Refraktion
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Begrenzung des Auflösungsvermögens
durch optische Abbildungsfehler
Sphärische Aberration
(randnahe Strahlen
werden von einer Linse
stärker gebrochen als
achsennahe Strahlen)
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Begrenzung des Auflösungsvermögens
durch optische Abbildungsfehler
Chromatische Aberration
(Licht unterschiedlicher
Wellenlänge bzw. Farbe
wird unterschiedlich stark
gebrochen)
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Aufgabe zum
Auflösungsvermögen
Mit einem Fernrohr mit 60 mm
Objektivdurchmesser kann man noch Sterne
trennen, die einen Winkeldurchmesser von
0,0006° haben. Aus welcher Entfernung müsste
man eine 1€ - Münze (Durchmesser 23 mm)
betrachten, um sie unter diesem Winkel zu
sehen? Fertigen Sie eine Skizze an.
tan α = D/x
x = 2196 m
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Linsenfernrohre (Refraktor)
Großer Doppelrefraktor
in Potsdam:
Erbaut 1889
Linsendurchmesser
80 cm und 50 cm
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Linsenfernrohre (Refraktor)
Größtes Linsenfernrohr der Welt in
Yerkes (Chicago, USA):
Erbaut 1897
Linsendurchmesser 1,02 m
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Spiegelteleskope
Lesen Sie im LB bsv S. 201 und erläutern Sie
weshalb Newton das Spiegelteleskop
(Reflektor) entwickelte.
Skizzieren Sie den Strahlenverlauf im
Spiegelteleskop nach Newton und
Cassegrain.
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Spiegelteleskope
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27
Spiegelteleskope (Bauformen)
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Moderne Technologien für
Großteleskope - MMT
Beim Keck-Teleskop auf Hawaii
setzt sich der Hauptspiegel aus 36
wabenförmigen (hexagonalen)
Spiegeln von je 1,8 Meter
Durchmesser, aber nur 7,5(!) cm
Dicke zusammen, die ständig über
180 Aktuatoren computergesteuert
auf optimale Lage justiert werden
( aktive Optik). Der effektive
Objektivdurchmesser beträgt
bezüglich der lichtsammelnden
Wirkung 9,82 Meter.
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Primärspiegel eines der
Keck – Teleskope
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Spiegelteleskop (Reflektor)
Keck-Observatorium
(Mauna Kea, Hawaii)
2 x 10 m Spiegel
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Aktive Optik
Die aktive Optik wird eingesetzt,
um die Spiegelkrümmung
auszugleichen, die beim
Schwenken des Teleskops
entsteht.
Um diese Abbildungsfehler zu
korrigieren, werden die Spiegel
auf Aktoren (motorisierte
Stellelemente) gelagert.
Erstmals eingesetzt beim New
Technology Telescope (NTT)
der Europäischen Südsternwarte
(ESO) auf La Silla in Chile
1989.
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Adaptive Optik
Lesen Sie das Material zur adaptiven Optik und
beantworten Sie folgende Fragen:
Was passiert, wenn aus dem Weltall kommendes
Licht die Erdatmosphäre durchquert?
Wie funktioniert die adaptive Optik?
Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/endlich-scharf-sehen/1051413
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Adaptive Optik
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34
Adaptive Optik
Erzeugung eines
Referenzsterns durch
einen Laser am VLT
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Interferometrie am VLT
Erhöhung des
Lichtsammelvermögens und
der Auflösung durch
Zusammenschalten von
benachbarten Teleskopen, z.B.
bei den vier VLT auf einen
wirksamen
Spiegeldurchmesser von 16 m.
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VLT – Very Large Telescope
(Cerro Paranal, Chile)
4 Teleskope je 8,20 m
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LBT – Large Binocular Telescope
(Mt. Graham Arizona, USA)
2 x 8,40 m
Spiegeldurchmesser
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Zukunftsvisionen …
European Extremely Large Telescope
Einige Fakten:
• Hauptspiegeldurchmesser: 39,3 m
• Hauptspiegel besteht aus 798
sechseckigen Spiegelelementen
• Inbetriebnahme: 2022
• Standort: Cerro Armazones, Chile
• Kosten: ca. 1,1 Mrd. Euro
Größenvergleich mit dem Brandenburger Tor und dem VLT
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Hubble Space Teleskop
gestartet 1990;
Hauptspiegeldurchmesser 2,40 m
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Radioteleskope
Lesen Sie im LB bsv S. 204 f. und machen Sie kurze
Notizen zu folgenden Schwerpunkten:
Pionier der Radioastronomie
Bauweise der Antennen
Vergleich des Auflösungsvermögens mit dem von
optischen Teleskopen
Begriff „very long baseline interferometry“
Beobachtungsobjekte der Radioastronomie
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Karl Jansky
Karl Jansky (1905 - 1950) war
ein US-amerikanischer Physiker
und Radioingenieur. Er wurde
zum Begründer der
Radioastronomie, als er 1932
feststellte, dass die Milchstraße
Radiostrahlung emittiert.
Er identifizierte das Sternbild
Sagittarius als Quelle der
Radiostrahlung Zentrum der
Milchstraße
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Bauweise – Würzburg Riese
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Radioteleskop Auflösungsvermögen
Radiowellen haben eine größere Wellenlänge
als optische Lichtwellen Radioteleskope
haben ein geringeres Auflösungsvermögen
als optische Teleskope
Zur Steigerung des Auflösungsvermögens
Bau sehr großer Antennen
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44
Radioteleskop in Arecibo
(Puerto Rico)
Spiegeldurchmesser
305 m
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45
Radioteleskop in Effelsberg
(Deutschland)
Spiegeldurchmesser 100 m
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46
Radioteleskop in Green Bank
(West Virginia, USA)
Spiegeldurchmesser 102 m
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47
Very Long Baseline
Interferometry
„Zusammenschalten“ von
mehreren Radioteleskopen zur
Erhöhung der Auflösung der
Radiomessung
In der VLBI werden die Signale
der einzelnen Antennen
zusammen mit sehr genauen
Zeitreferenzen gespeichert und
später rechnerisch korreliert.
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VLA Very Large Array
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49
RadioastronomieBeobachtungsobjekte
Radiowellen durchdringen interstellaren Staub
Beobachtung von Objekten, die hinter kosmischen
Staubschichten verborgen sind
Sonnensystem (Sonne, Planeten)
Milchstraße (galaktisches Zentrum,
Supernovaüberreste, Pulsare)
Extragalaktische Objekte (Quasare)
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50
Aufnahme eines Radioteleskops
Radiokarte des Himmels bei 45 MHz
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51
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