Atomuhren - staff.uni

Zeit und Zeitmessung in der Astronomie
Dr. B. Pfeiffer
Astronomische Arbeitsgemeinschaft Mainz,
Astronomische Gesellschaft
• Was ist Zeit?
• Zyklische Abläufe als Basis für Zeitmessung:
Tag/Nacht, Mondphasen, Jahreszeiten, Planeten
Handkurbel
• Gnomon als astronomisches Instrument und
Anwendung als Sonnenuhr
• Nächtliche Gebetszeiten als Antrieb für
die Entwicklung von Uhren
• Herausforderungen der Navigation:
Bestimmung von Längengraden
Das Sonnensystem war lange die Grund• Abkehr von astronomisch abgeleitetem Zeitnormal
lage für Kalender und Tageszeit. Es
Verlangsamung der Erdrotation
wurde als perfektes Uhrwerk betrachtet,
das man in mechanischen Modellen wie
• Entwicklung von Chronometern:
den Orrerys veranschaulichte.
Von den Wasseruhren zur Atomuhr
Gilkerson and Co., c. 1810,
• Anwendungen der Atomuhren in der Astronomie
(noch ohne Saturn) , Armagh Observatory
Volkshochschule Mainz: Besondere astronomische Themen
VHS-Sternwarte im Turm der Anne-Frank-Schule 16.05.2006 19:30
1
Was ist also die Zeit? Wenn mich niemand darnach fragt, weiß ich es,
wenn ich es aber einem, der mich fragt, erklären sollte, weiß ich es nicht;
St. Augustin, Confessiones, XI:14
Vorbemerkung
Unsere alltägliche Vorstellung vom „Wesen der Zeit“
ist geprägt durch die Instrumente, mit denen wir
Die Zeit messen. Wir sprechen vom „Fließen
der Zeit“ und assoziieren damit eine Sanduhr (in der
Antike Klepsydren). Das Tick-Tack der mechanischen
Uhren (seit dem Mittelalter) führt uns dazu, die Frage
nach einer Maßeinheit der Zeit zu stellen.
Einfache antike Wasseruhr
(Klepsydra)
Trotz aller Fortschritte der modernen Naturwissenschaften verbleibt die „Zeit“ weiterhin ein großes
Rätsel. Daran hat sich seit den Zeiten Zenons von
Elea (490 – 430 v.Chr.) und seinen Paradoxien von
Raum und Zeit nichts geändert. Ganz im Gegenteil,
sie werden wieder aktuell in der Quantenphysik.
Präzisions-Pendeluhr, 1905
Typ A1 von Sigmund Riefler
Für das heutige Thema können wir die meisten Probleme mit der „Zeit“ vergessen. Es genügt anzunehmen, dass die Zeit (wie in der Vorstellung Isaac Newtons) kontinuierlich mit unveränderter
Rate abläuft. In der (klassischen) Himmelsmechanik ist die Zeit ein Parameter, der das Fortschreiten der Bewegungen der Himmelskörper beschreibt. Vor der Einführung der „Atomzeit“ war
Zeit über eine Beschreibung der Bewegung der Planeten im Sonnensystem definiert (quasi wie
schnell man die Kurbel des Orrerys der Titelfolie dreht): „Ephemeridenzeit“.
Die Relativitätstheorie spielt i.A. keine Rolle, doch wäre z.B. das GPS ohne sie nicht möglich.
Die zirkadianen Rhythmen der “Inneren Uhr” würden den Rahmen des Vortrags sprengen.
2
B.P. 2006
Es ist nicht verwunderlich, dass die Menschen seit jeher in den Himmel schauten
um Tageszeit und Datum zu bestimmen.
Kalender schon in der Steinzeit?
Schon Homo
Erectus vor
370000 Jahren
in Thüringen ?
Mondphasen in der Höhle
Canchal Mahona, Spanien
Gerade die völlig den Launen des Wetters ausgesetzten
Menschen der Steinzeit waren für den Überlebenskampf
auf kalendarische Kenntnisse angewiesen.
Ob jedoch 21 parallele Ritzungen in einem Elefantenknochen einen (Mond-)Kalender unseres entfernten
Verwandten Homo Erectus darstellen?
Was die Marken auf der Rückseite eines
sehr alten Knochens aus einer Höhle der
Schwäbischen Alb bedeuten, wird vielleicht
ORION in der Steinzeit? Die Marken auf
der Rückseite entsprechen der Sichtbarauch nie zu klären sein.
keitsdauer. Schwäbische Alb
An den Wänden mehrerer Höhlen fanden
sich jedoch eindeutig zu interpretierende
Darstellungen eines ganzen Zyklus der
Mondphasen.
Auch sind eine Reihe von Knochenfragmenten
überliefert, auf denen unsere Vorfahren
Strichlisten führten, die man allgemein für
kalendarische Aufzeichnungen hält. Solche
Zählstäbe werden noch heute von Schamanen Auf diesem Knochenfragment sind Tage,
Sonnenwenden und Jahre verzeichnet.
verwandt.
Ob die Menschen damals schon Kenntnisse über noch längere Zyklen wie
die alle 20 Jahre auftretenden Konjunktionen von Jupiter und Saturn, über
Mond-Sonne Beziehungen wie dem Metonischen Zyklus oder sogar dem
Saros-Zyklus der Finsternisse oder gar der Präzession hatten, muss vorerst
Spekulation bleiben.
3
B.P. 2006
Archaeoastronomie
Obwohl es unbestreitbar ist, dass alle Völker den Himmel beobachteten, auch um kalendarische Fixpunkte zu bestimmen, muss man
doch viele Berichte über bewusste astronomische Ausrichtungen von
Bauwerken mit Vorsicht betrachten. Gerade sehr engagierte Amateure
(doch nicht nur sie) haben fast in alle Strukturen astronomische Absichten hineingezwungen, wodurch sie diesen Teil der Astronomie
in Verruf brachten.
Stonehenge
„Sun Dagger“
Goseck, ca. 4900 v. Chr.
Nebra, ca. 1600 v. Chr.
Fajada Butte, Arizona
El Caracol in Chichén Itzá
Newgrange
„Bighorn Medicine Wheel“
4
B.P. 2006
Kalendersterne
Dekan-Gestirne
Sowohl die babylonischen als auch die ägyptischen Priester
benutzten je 36 mehr oder weniger gleichmässig über die Ekliptik
verteilten Sterne oder Sterngruppen für Zeitbestimmungen. Da
damit 10° Abschnitte entstehen, heissen sie Dekan-Sterne.
Obwohl man sehr viele ägyptische Darstellungen insbesondere
in Deckeln von Sarkophagen fand, umgeben die Dekan-Gestirne
noch viele Geheimnisse.
Nicht nur, dass man keine allgemein anerkannte Zuordnung der
ägyptischen Namen zu unseren Sternen hat, streiten sich
die Gelehrten sogar über die Anwendung:
•
•
36 Dekan-Gestirne zur Zeitmessung
Bestimmten die “Stunden-Priester” die Nachtstunden? Alle
40 Minuten muss einer aufgehen. Aus dem Neuen Reich sind
“Diagonaltafeln” mit Dekangestirnen überliefert, mit denen man
die Nacht in 12 Stunden aufteilte.
Oder zeigte der heliakalische Aufgang den Beginn einer der 36
10-Tage-Wochen an?
Einer der Dekan-Sterne war wohl Sirius, dessen heliakalischer
Aufgang um den 20. Juli (im alten Ägypten) die Nilflut ankündigte.
Die Kalendersterne wandelten sich schon früh zu
Schicksalsgöttern, die die jeweilige “Woche” beherrschten.
Dieser Gedanke lebt in der Astrologie fort.
5
B.P. 2006
Der Gnomon als frühes (erstes?) astronomisches Instrument
Der Gnomon (Schattenstab, -zeiger) ist uns
heute als Sonnenuhr bekannt. Es ist zwar
überliefert, dass man in der Antike Verabredungen traf gemäß der Länge des Schattens in Füßen, den man selbst warf. Doch
scheint es keine öffentlichen monumentalen
Sonnenuhren wie später in Rom gegeben
zu haben.
Der Gnomon war vielmehr für lange Zeit das wichtigste astronomische Messgerät. Die Vorsokratiker (oft aus Ionien in
Kleinasien) hatten das Gnomon aus Babylon übernommen.
Anaximander von Milet bestimmte damit die Sonnenwenden,
d.h. er vermass die Sonnenbahn. [Mittagsschatten zur Sommer- (R), Wintersonnenwende (T) und den Tag- und Nachtgleichen (C)]
Die Astronomen zeichneten nur die Schattenlänge zur Mittagszeit auf, es war also sicher keine Sonnenuhr.
Anaximander von Milet (610 – 546 v. Chr.)
Mosaik aus Trier
Auch die Messung des Erdumfangs durch Erathostenes war
eine Anwendung des Gnomons.
Im folgenden werde ich die Anwendungen des Gnomons detaillierter aus chinesischen Quellen beschreiben,
zum einen gibt es noch originale Aufzeichnungen und zum anderen existieren noch einige Observatorien.
6
Literatur zu den frühen griechischen Arbeiten mit dem Gnomon:
Arpad Szabó: “Das geozentrische Weltbild”; dtv wissenschaft, 1992
B.P. 2006
Eine der Anregungen zu diesem Vortrag
Letztes Jahr hatte ich über astronomische Längenbestimmungen vorgetragen:
Über Größen und Entfernungen
URL: http://www.staff.uni-mainz.de/bpfeiffe/vhs05-ld-w.pdf
Es lag daher eigentlich nahe, über Zeit zu sprechen.
Jedoch ist die Zeit für Physiker ein vertracktes Problem.
Bei einem US-Aufenthalt erstand ich das Buch von
Menzies, indem er behauptet, chinesische Flotten
hätten 1421 fast die gesamten Weltmeere befahren und
vermessen.
Er stützt seine Thesen wesentlich auf frühe europäische
Karten um 1500, auf denen nicht nur damals noch nicht
entdeckte Länder auftauchen, sondern vor allem auf die
genauen geografischen Längenangaben,
die Europäer erst sehr viel später bestimmen konnten.
Er nimmt an, dass der Venezianer Niccolò da Conti
(1395-1469), der u.a. mit den Chinesen in Nordaustralien Chinesischer Blockdruck
war, die chinesischen Karten nach Europa brachte.
frühes 17. Jahrhundert
Le voyage aux Indes de
Nicolò de Conti (1414-1439)
Menzies nimmt an, dass die chinesischen Seefahrer Mondfinsternisse
zur Bestimmung der geografischen Länge verwandten und berichtet
über die in Europa wenig bekannte chinesische Astronomie.
Das regte mich zu weiteren Nachforschungen an.
7
Contis Bericht deckt sich mit den Reisebeschreibungen von Ma Huan und Fei Hsin.
B.P. 2006
Uralte Traditionen
Im weiteren Stadtgebiet von Zhengzhou, der Kapitale der Henan-Provinz, findet man in Gao
Cheng noch Relikte chinesischer Observatorien, die in der Zeit von ca. 1060 v.Chr. bis
1276 AD erbaut wurden.
Fürst Zhou Gong Schrein
Shigui Karte von Zhang Yiching (Tang Dyn. 723 AD)
Zentrum der Welt nach „Zhou Li“ (Riten der Zhou)
Gnomon von ca. 700 AD und
Observatorium von 1276 AD
Fürst Zhou Gong von der Westlichen Zhou Dynastie (c. 1100 – 771v.Chr.) soll hier einen „Ceyingtai“
(Schattenmesser) aufgestellt haben. Auf den Gnomon von c. 700 AD und das große Observatorium aus der
frühen (mongolischen) Yuan Dynastie 1276 AD werde ich im folgenden genauer eingehen.
In Henan wirkte zur Zeit der Östlichen Han-Dynastie der kaiserliche Chefastrologe
Zhang Heng (78-139 AD). 123 AD reformierte er den Kalender. Er konstruierte die
erste äquatoriale Armillarsphäre in China. Sein Seismograph (Didong Yi) blieb der
einzige weltweit für mehr als anderthalb Jahrtausende.
Das Shaolin-Kloster der Kungfu-Mönche liegt auch in der Gegend.
8
B.P. 2006
Anwendungen des Gnomons: Der chinesische Kalender
Alle chinesischen Herrscher, die sich „Söhne des Himmels“ nannten, legten großen Wert auf Astronomie.
Ein wesentlicher Punkt war ein möglichst präziser Kalender. Seit den frühesten Zeiten verwandte man
einen Lunisolarkalender. Die Fortschritte der chinesischen Astronomen durch die Jahrhunderte spiegeln
sich in den offiziellen Kalendern, jedoch oft mit erheblichen Verzögerungen durch die Mandarine.
Und mindestens seit der Shang-Dynastie (1523 – 1027 v.Chr.) war der Gnomon das astronomische
Instrument zur Beobachtung der Sonnenbahn.
Bis ins 1. Jahrhundert AD gingen die Astronomen von zeitlich gleichförmigen Bewegungen des Mondes
und der Sonne aus. [Entsprechend den Kreisbahnen der griechischen Astronomen.]
• Jia Kui entdeckte im 1. Jahrhundert die ungleichförmige Bewegung des Mondes (der auf einer Ellipse
und nicht auf einem Kreis die Erde umläuft). Im 6. Jahrhundert bemerkte dann Zhang Zixin den Effekt
auch bei dem Umlauf der Sonne.
• Unter Leitung des Astronomen Yi Xing (683 – 727 AD) wurde dieses Phänomen dann mit einem ganz
China umfassenden Netz von genormten astronomischen Observatorien (Gnomonen) gründlich
untersucht. [„Zeitgleichung“, siehe Sonnenuhren]
• Parallel zur Kalenderreform wurde noch ein Vorschlag Liu Zhuos aus dem Jahr 604 AD aufgegriffen,
der Größe und Form der Erde durch eine astronomisch-geodätische Meridianmessung ermitteln wollte.
• Das Streben nach immer präziseren Daten führte dann unter den Mongolen zur Errichtung von „High-Tech“
Observatorien, deren Daten berechnete langfristige Änderungen der Erdbahn bestätigen.
Der Effekt der Präzession der Äquinoktien wird in China zuerst von Yu Xi im 4. Jahrhundert lange
nach Hipparchus beschrieben. Zu Chongzhi (429 – 500 AD) ermittelte eine Rate von 1º in 45 Jahren
und 11 Monaten. Erst im Shou Shi Kalender von Guo Shoujing 1281 findet sich ein Wert von 1º in 66
Jahren und 8 Monaten, der recht nahe am heutigen Wert liegt. Dieser Wert wurde auch von arabischen
Astronomen/Astrologen verwandt und entspricht der Präzession eines Tierkreiszeichens in 2000 Jahren.
Beruht er auf Messungen oder Astrologie?
Auf der Marke ist die Bestimmung von π zu 3,14159265 durch Zu Chongzhi erwähnt.
9
B.P. 2006
Der Da Yan Kalender von 729 AD
Von 721 bis 725 AD wurden etwa 20 Observatorien errichtet und die Schattenlängen zu den Sonnenwenden simultan vermessen. Die Abhängigkeit von Jahreszeit und geographischer Breite diente der Verbesserung des Kalenders.
Die 10 Gnomone entlang des 114. Längengrades vom Baikalsee bis nach Hue
in Vietnam (ca. 52. bis 17. Breitengrad) sollten die Erde vermessen. Bedingt
durch die Schwierigkeit, den Kernschatten zu erkennen, bestimmte man den
Meridiangrad zu 131,29 km statt des modernen Wertes von 111,12 km.
Die Umrechnung der alten chinesischen Maßeinheiten ist jedoch auch unsicher!
“8 Chi”-Standardgnomon (1.98 m)
(später eingeführt um Halbschatten
auszublenden)
Die Abplattung der Erde wurde um 1740 durch Gradmessungen in Peru bestätigt.
Das Meter beruht auf Messung des Meridians von Dünkirchen über Paris nach
Barcelona 1792/8 von Delambre und Méchain.
10
B.P. 2006
Su Songs Wasserturm
Die chinesischen Observatorien waren mit Wasseruhren ausgestattet, wohl meist bescheidenere Ausführungen. Sie wurden täglich
astronomisch rekalibriert.
Das Uhrwerk trieb einen Himmelsglobus im 2. Stock an. Im 3. Stock
befand sich eine Armillarsphäre.
Man nimmt an, dass die Uhr pro Tag weniger als 100 Sekunden
Abweichung hatte.
Su Song ; “Xin Yi Xiang Fa Yao”
("New Design for an Armillary Sphere
and Celestial Globe")
Sie war nur 39 Jahre in Betrieb und wurde von der
Jin-Armee ins heutige Beijing verschleppt. Es
gelang nicht, sie wieder zusammen zu bauen.
Man liest oft, dass das “Escapement” (Hemmung)
erst viel später in Europa erfunden wurde.
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B.P. 2006
Der Shou Shi Kalender 1281
Guo Shoujing
(1231-1314)
Kaiser Shizu (frühe Yuan Dynastie) ließ 27
„High-Tech“-Observatorien für eine Kalenderreform erbauen. Zur Ausstattung gehörten
eine Wasseruhr, Armillarsphären und Spezialinstrumente zur Beobachtung von Meridiandurchgängen heller Sterne.
Die Messungen wurden von Guo Shoujing (1231-1314) und
Wang Xun (1235-1281) koordiniert und ausgewertet. Die
außerordentliche Präzision der Daten lässt sich an zwei Werten
ablesen:
• Lunation: 29,530591 Tage (besser als eine Sekunde)
Ancient star observatory at Gao Cheng (Dengfeng city)
• Jahreslänge: 365 d 5 h 49 min 20 sec
(Trop. Jahr 2000 35 Sek. kürzer; 1281?)
Laplace verglich die Werte mit seinen Berechnungen:
“The observations made from 1277 to 1280 are valuable
on account of their great precision and prove
incontestably the diminution of the obliquity of the ecliptic
and the eccentricity of the earth’s orbit between then
and now.”
J. Needham: “Science and Civilisation in China”
Cambridge UP, vol. 3, p. 398 (1954)
Diese Änderungen der Bahnparameter der Erde sind nach
Milutin Milankoviç für die Eiszeiten verantwortlich. Näheres
Vortrag “Kann uns der Himmel auf den Kopf fallen?”
am Dienstag, den 4.7.2006
12
B.P. 2006
Anwendung auf präzise Sonnenuhren
Temporal- und Äquinoktialstunden
Analemma
Von der Antike bis zur Neuzeit verwandten Astronomen eine von der Zivilgesellschaft
abweichende Definition der Stunde: Die Astronomen teilten einen Tag in 24 gleichlange
Äquinoktial-Stunden, während „im täglichen Leben“ Tag und Nacht in jeweils 12 Stunden
täglich wechselnder Länge geteilt wurden: Temporalstunden.
Die Erde bewegt sich auf einer Ellipse um die Sonne,
nicht auf einer Kreisbahn. Nach Keplers 2. Gesetz bewegt
sich die Erde mit wechselnden Winkelgeschwindigkeiten.
Bei der (nun historischen) Ableitung der Zeiteinheit Sekunde
als 86400. Teil eines Tages hat man deshalb einen mittleren
Sonnentag (des tropischen Jahres 1900) eingeführt.
Der Zeitpunkt des Meridiandurchganges der Sonne (12:00
Mittag in Ortszeit†) oszilliert um den Zeitpunkt, den unsere
Uhren anzeigen: Zeitgleichung.
2. Keplersches Gesetz
Flächensatz
Eine anspruchsvolle Art, die kombinierten Einflüsse von Schiefe der Ekliptik und Keplers
Flächensatz auf den Sonnenstand darzustellen, ist das Analemma.
Dazu macht man ein Foto des Himmels (idealerweise täglich während eines ganzen Jahres)
immer zum gleichen Zeitpunkt.
13
† Gilt nur für Greenwich. Siehe Folie „Zeitzonen“
B.P. 2006
Zeitgleichung
The diagram above illustrates the variation of the
equation of time due to obliquity (purple) and the
variation due to unequal motion (dark blue).
The diagram below shows the final equation of time,
a combination of the two effects.
Diagrams courtesy of Keith C. Heidorn.
The analemma of 12:28:16 UT+2
over Parthenon, Athens
14
B.P. 2006
Apollo-Tempel Korinth
09:00 UT+2
Erechtheion Athen
15:00 UT+2
Die Umrechnung von
temporal auf äquinoktial
Stunden muss nicht nur
zur Mittagszeit, sondern
permanent erfolgen.
15
B.P. 2006
Analemma-Uhren
Durch geschickte Formgebung der Spitze des
Schattenwerfers kann man es erreichen, dass
die Sonnenuhr „bürgerliche Zeit“ anzeigt.
Eine solche Analemma-Uhr befindet sich auf
dem Platz vor dem Naturhistorischen Museum.
16
B.P. 2006
Vor der mechanischen Taschenuhr
Römische Taschen-Sonnenuhr (ca. 250 n.Chr.)
Nachbau eines Instruments,
das bei Bratislava gefunden wurde
http://www.lateinforum.de/rmuhr.htm
Schon in der Antike war die Kenntnis der Tageszeit
von Bedeutung. Neben der erwähnten Methode, die
Zeit aus dem eigenen Schatten abzulesen, gab es
schon Taschenuhren. Hochentwickelte Modelle
konnten auf verschiedene Breitenkreise eingestellt
werden, waren also für Fernreisende geeignet.
Sonnenuhr am Halsband
Preußen, 18. Jahrhundert
Vereinfachte Uhr
„Mainzer Modell“
17
B.P. 2006
Was kann man nachts machen?
Sonnenuhren erfordern Sonnenschein (in unseren
Breiten oft auch am Tage nicht verfügbar).
Kerzenuhr mit dem Schreiber
nach al-Gazarî, um 1200 n. Chr.
Wasseruhr
Neben nichtastronomischen Uhren hat man auch
nächtliche Beobachtungen herangezogen:
• Man kann auch den Schattenwurf des Mondes
für Zeitbestimmung heranziehen.
• Oder man beobachtet den Lauf der zirkumpolaren
Sternbilder.
18
B.P. 2006
Gerbert von Aurillac (Silvester II)
führte Otto III 997 in
Magdeburg ein
“oralogium“ vor.
Wohl solch ein
Gerät und keine
mechanische Uhr
wie einige
Historiker
meinen.
Bestimmung der nächtlichen Gebetsstunden
Moslems und Mönche müssen zu festen Zeiten Gebete verrichten.
Insbesondere die Bestimmung zur Nachtzeit stellt ein Problem dar.
Wasseruhren waren anfällig, Sanduhren wurden erst sehr spät entwickelt. Um das Jahr 1000 verwandten Mönche die Rotation der
zirkumpolaren Sterne für die Bestimmung der Zeit, indem sie ein
Sehrohr auf den Pol ausrichteten und die Bewegung eines nahen
Sternes (Computatrix) verfolgten. Bedingt durch die Präzession lag
damals der recht schwache Stern 32 Camelopardalis in Polnähe,
während man unseren jetzigen Polstern (αUMi) als Computatrix
verwandte.
Im Mittelalter übernahm man in Europa
das von arabischen Astronomen weiterentwickelte Astrolab, mit dem man
auch die Uhrzeit bestimmen konnte.
Daraus abgeleitet wurden Geräte, die
die gleiche Funktion wie die Sehrohre
erfüllten:
Vereinfachte Astrolabien für Einsatz
auf Schiffen (links) und spezielle
Geräte für die Nacht: Nocturlabien.
Nocturlabium
Auf Schiffen verwandte man später ViergläserSchweiz, um 1520
Sanduhren, die die halbe Stunde anzeigen. Beim
Ablauf wurde die Schiffsglocke geschlagen: Ursprung des Begriffs „Glasen“.
Diese Uhr zeigt ¼ Stunden an, sie bemaß die Zeit der Predigt.
19
B.P. 2006
“Horologium nocturnum”
Im 9. Jahrhundert verwandte Pacificus von Verona, Leiter des DomScriptoriums, eine vorher unbekannte Sternenuhr, deren Funktion aus
Darstellungen des 11. und 12. Jahrhunderts rekonstruiert werden
konnte. Die Äquinoktialstunden mussten noch auf die Temporalstunden
(täglich variierende Aufteilung von Tag und Nacht in jeweils 12 Stunden)
umgerechnet werden. Dazu verwandte man Schablonen,
Island 21.12.1000 AD
αUMi
Polarstern um 1000 AD
Bedingt durch die Luni-Solar-Präzession verschieben sich die
Himmelspole. Nicht immer befindet sich ein heller Stern in der Nähe,
den man für Zeitbestimmung und Navigation anwenden kann.
Um das Jahr 1000 lag der mit 4.8m leuchtschwache Doppelstern 32Cam
(SAO2101/2) (im gelben Kreis) relativ dicht am Pol.
Die Mönche verwandten αUMi als Computatrix, der uns heute als
Polarstern vertraut ist.
Gemäß mittelalterlichen Chroniken nutzten die Wikinger 32Cam für
die Navigation.
Anmerkung: Die Bezeichnung des rotierenden Sterns als Computatrix
erinnert an die mittelalterliche Bedeutung von „Computer”. Es war i.A.
ein gebildeter Kleriker, der sich mit dem „Computus Ecclesiasticus“
auskannte, d.h. seine Aufgabe bestand darin, das Osterdatum und somit
die beweglichen Kirchenfeste zu berechnen.
21:00
23:00
20
B.P. 2006
Notturlabio
Florenz, 16. Mai 1560
Merak
Dubhe
HOROLOGIUM NOCTURNUM
UMi
UMa
Polaris
Girolamo della Volpaia - 1567
Museo della Scienza - Firenze
Orologio notturno e solare
22:00
Semplice strumento derivante dall'astrolabio, chiamato anche
orologio notturno, utilizzato dai navigatori nel medioevo per
determinare l'ora durante la notte, con un margine di errore di
circa 15 minuti.
Il suo impiego dipende dalla capacità di vedere la Stella Polare
e l'Orsa Maggiore; questo perchè le due stelle dell'Orsa maggiore chiamate i Puntatori ( Dubhe e Merak), sono sempre
allineate con la stella Polare, e costituiscono una specie di
lancetta di un orologio, che compie un giro completo ogni giorno.
Für polyglotte Zuhörer die Beschreibung
des „Notturlabio“ im Original.
Dubhe: α UMa
Merak: β UMa
Polaris: α UMi
00:00
21
B.P. 2006
Sonnenuhren als Kalender
Horologium und Mausoleum des Augustus auf dem Marsfeld
Auf dem Marsfeld fand man bei Ausgrabungen noch Reste der
Bodenmarkierungen für die Sonnenuhr des Augustus. Aus der
Länge des Schattens um 12:00 (auf dem Meridian) konnte man
das Datum ablesen (entsprechend der Jahreszeit).
22
Erdbeben „verstellten“ die Uhr jedoch bald nach der Aufstellung.
B.P. 2006
Die Einführung der Zeitzonen
Lange Zeit wurden die Turmuhren, nach denen sich das Leben richtete, nach den Sonnenuhren
gestellt, d.h. sie zeigten Lokalzeit an entsprechend der geografischen Länge einer jeden Stadt.
Eisenbahnfahrpläne erzwangen überörtliche Koordinierung, die z.B. über Telegrafenleitungen
erfolgte.
Viele Patentanträge betrafen Verfahren zur
Synchronisation von Uhren. Prof. Galiston
vertritt die These, dass der Patentamtsangestellte Einstein dadurch zum Befassen mit
der Gleichzeitigkeit von Ereignissen und
letztlich der Speziellen Relativitätstheorie
angeregt wurde.
Peter Galison
Einsteins Uhren,
Poincares
Karten.
Die Arbeit an der
Ordnung der
Zeit
23
B.P. 2006
Chinesische Vermessung der Welt 1421-1423?
3. Ming-Kaiser Zhu Di (Yongle)
In der frühen Ming-Dynystie betrieb China eine
offensive Außen- und Handelspolitik, die zur See
von einer gewaltigen Flotte getragen wurde. Die 6.
Reise 1421 wurde von 300 chinesischen Schiffen
mit 28000 Mann Besatzung durchgeführt. Nach
zeitgenössischen mediterranen Händlern und Vasco
Da Gama passierten 800 Schiffe aus China, Korea,
Japan und Malaysia Kalkutta.
Die These, die Flotten hätten fast die gesamte Welt
vermessen, kann hier nicht diskutiert werden. Der
Vorschlag Menzies zur Verwendung von Mondfinsternissen passt aber gut zu unserem Thema.
Zhu Di, der Erbauer der
“Verbotenen Stadt”, hatte
Interesse an praktischen
astronomischen Fragen.
Er setzte eine Kommission
zur Revision der Sternkarten
ein und gewann die Mitarbeit
von Korea, Japan und Khan
Ulugh Bek in Samarkand.
A giraffe brought from Africa
in the twelfth year of Yongle
(1414 AD).
Eines von 250 Schatzschiffen
Zheng He (1371-1435)
Bericht über die Reisen
der Schatzflotten
Changle, Fujian 1431
Nach dem Tode Zhu Dis ließen die Mandarine
die Hochseeflotte und alle Akten zerstören und
China verschloss sich der Welt.
24
B.P. 2006
Das Problem der Längengradbestimmung
Astronomische gegen mechanische Zeitmessung
Jakobsstab
Kartografen und Seeleute haben das gleiche Problem (bei Seeleuten
endet es jedoch oft fatal): Positionsbestimmung.
Während heute mit dem GPS-System die Bestimmung der Position und
selbst der Höhe über NN (und sogar die Geschwindigkeit) für jeden
Benutzer einfach (und erschwinglich) ist, stellten sie für Jahrhunderte
praktisch unlösbare Probleme dar.
Die geografische Breite war (wenn auch ungenau)
selbst mit einfachsten Instrumenten zu bestimmen.
Die geografische Länge dagegen konnte nur grob
geschätzt werden aus der Geschwindigkeit des
Schiffes. Sehr viele Schiffe gingen verloren!
Die großen Seefahrernationen setzten alles daran,
dieses Problem endlich zu lösen. Alle Wissenschaftler
Mittagshöhe der Sonne
waren überzeugt, dass mechanische Uhren nie die
erforderte Genauigkeit erreichen würden und suchten
nach astronomischen Verfahren. Frankreich und
England gründeten königliche Observatorien.
Dass dann dem „einfachen“ Uhrmacher Harrison die
Lösung gelang, wurde von den Astronomen als
Schmach empfunden und man versuchte alles, um ihm
die Anerkennung zu verweigern.
Astrolabium
H4 von Harrison.
GPS-Empfänger
Anmerkung: Auf der Briefmarke sieht man sehr schön, weshalb Piratenkapitäne in Filmen
immer eine Augenklappe tragen.
25
B.P. 2006
Jupitermonde als „universelle“ Uhren
Zur Lösung des Längengradproblems schlug Galilei 1616 Philipp II. von Spanien vor,
beobachtete Positionen der Monde des Jupiters mit für einen Referenzort tabellierten Werten
zu vergleichen. Mit festem Grund unter den Teleskop- und eigenen Füssen erwies sich der
Vorschlag durchaus als praktikabel. Mit diesem Verfahren wurden die ersten korrekten WeltKarten angefertigt, wie man z.B. an der Karte Frankreichs sehen kann. [Allerdings war Ludwig
XIV wenig erfreut über die Tatsache, dass sein Königsreich plötzlich viel kleiner war.]
Allerdings war die Methode von den Planken
eines Schiffes aus praktisch undurchführbar.
Anmerkung:
Bei Messungen zur Erstellung dieser Tabellen
fiel Ole Roemer in Paris 1676 auf, dass der
Zeitpunkt des Wiederauftauchens der Monde
aus dem Jupiterschatten von der Entfernung
Erde-Jupiter abhängt. Er deutete dies mit der
Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit und konnte
einen ersten Schätzwert von
c ≈ 250000 km/s
ermitteln.
"Carte de France: Corrigée par Ordre du Roy sur les
Observations de Mss. de l'Académie des Sciences“
(Paris,1693).
26
B.P. 2006
Ephemeriden für die Jupitermonde – einst und jetzt
Ci-dessus la représentation graphique utilisée pour les satellites de Jupiter dont le mouvement est très rapide.
A gauche, un extrait de la Connaissance des Temps pour 1808. L´interpolation n´est pas facile et la latitude
des satellites n´est pas donnée. A droite, le supplément à la Connaissance des Temps pour 2000 : la lecture
est plus facile et la latitude est visible sur le tracé du bas de la page.
27
Crédit : IMCCE/Bureau des longitudes
B.P. 2006
The Longitude Act (1714)
Um das Preisgeld von 20000₤ zu erhalten wurden
die abstrusesten Methoden eingereicht. Zum Schluss
verblieben die Monddistanzmethode und Chronometer.
Tobias Mayer aus Göttingen gelang es zuverlässige
Mondpositionen zu berechnen, die dann von
Maskelyne publiziert wurden:
Tabulæ motuum SOLIS et lunæ, novæ et correctæ;
auctore Tobia Mayer: quibus accedit methodus
longitudinum promota, eodem autore.
Nevil Maskelyne (1732-1811)
London, 1770
Fifth Astronomer Royal
H1 (1735)
Harrison arbeitete fast sein ganzes Leben an
diesem Problem. Seine erste Uhr erwies ihre
Genauigkeit auf einer Fahrt nach Lissabon,
war aber noch nicht sehr seetüchtig. Die H2
gab er auf, die H3 konnte nicht getestet werden,
da die Admiralität befürchtete, sie könnte den
Feinden in die Hände fallen (wie die ENIGMA in
WWII). Mit über 60 Jahren begann er dann nochmal
von vorne und entwickelte die H4.
Bimetalle, gekapselte Kugellager, Diamantlager
werden bis heute verwandt.
John Harrison
(1693-1776)
H3 (1740-1759)
28
B.P. 2006
Bestimmung des Längengrads mit Mondfinsternissen
Die geografische Länge eines Ortes kann bestimmt werden,
indem man den Zeitpunkt eines astronomischen Ereignisses
in der Lokalzeit ermittelt und dann mit dem Zeitpunkt (in
Lokalzeit) an einem anderen Ort bekannter Länge vergleicht.
Mondfinsternisse sind fast von der halben Erdkugel aus
sichtbar und daher ideal geeignet für solche Messungen.
Menzies nimmt an, dass die präzisen chinesischen Angaben
über den Indischen Ozean bei einer gleichzeitigen Beobachtung einer Finsternis durch die über den ganzen Ozean
verteilte chinesische Flotte erfolgte.
Antike Autoren (Plinius, Ptolemäus) haben die
Mondfinsternis am 20.9.331 v.Chr. (11 Tage vor
der Schlacht von Gaugamela)
dazu verwandt, die Differenz in
geografischer Länge zwischen
Sizilien (bzw. Karthago) und dem
Nordirak zu bestimmen.
Kolumbus (im Gegensatz zu Amerigo Vespucci) versagte dabei völlig.
Solche Messungen waren bis
um 1700 die wesentliche Quelle
für Geografen.
Astronomical diary
describing the battle Rein astronomische Verfahren
wie die Jupitermond-Methode
of Gaugamela
wurden um 1750 durch die Schiffs(British museum).
chronometer abgelöst.
Doch wie bestimmten Astronomen die Zeit ohne mechanische Chronometer?
29
B.P. 2006
Weltkarte nach Ptolemäus, ca. 1474 (heute im Vatikan)
Ptolemäus hatte die Zeiten für die Mondfinsternis nur auf die Stunde vorliegen. Dies gilt als
Ursache für die irrige Darstellung des westlichen Mittelmeeres, insbesondere Marokkos.30
B.P. 2006
Beobachtung der Meridiandurchgänge von Sternen
Schon im Zweistromland hatten die Priesterastronomen die Zeit anhand der Höhe über
dem Horizont von ausgewählten Sternen bestimmt. Islamische Astronomen trafen sich z.B.
bei totalen Sonnenfinsternissen, wobei sie versuchten dabei sichtbare Sterne zu beobachten
und danach die Kontaktzeiten aus der Höhe
der Sterne zu berechnen.
Observatorium des
Tariq al-Din (c.1526-1585)
in Istanbul (1577-1580).
Der Sultan ließ es zerstören
nachdem al-Din im Kometen
von 1577 ein gutes Omen sah,
jedoch ein Krieg verloren ging.
Die kaiserlichen Astronomen in China notierten
regelmäßig den Meridiandurchgang einer
großen Zahl von Sternen. Dazu dienten die
Wasseruhren.
Wenn ein chinesischer Kapitän bei einer Mondfinsternis beobachtete, welche Sterne durch den
Meridian gingen, konnte man durch Vergleich
mit den in Beijing registrierten Zeiten die Differenz
in geografischer Länge zwischen dem Standort
des Kapitäns und Beijing (dem chinesischen
Nullmeridian) berechnen.
Singapur, 16.7.2000 22:19:03
Das Observatorium wurde gebaut, damit die islamische Welt den Anschluss an Tycho Brahes Großgeräten behalten sollte!
31
B.P. 2006
Neuzeitlicher Test der Methode
3. Kontakt
Prof. John Oliver aus Florida positionierte
Studenten zwischen Tahiti und Singapur,
an Orten, an denen Menzies chinesische
Singapur
Observatorien vermutet.
1º 20’ N
Die ungeübten Beobachter erreichten eine
103º 49‘ E
Genauigkeit von ca. 1,5º. Dies entspricht
ca. 167 km am Äquator.
Menzies vermutet aus dem Vergleich der
Ostafrikanischen Küste auf Karten um 1500
mit modernen Atlanten, dass die Chinesen
eine Genauigkeit von ca. 40 km erreichten.
Mit solchen Beobachtungen konnten zwar
Karten erstellt werden, doch die tägliche
Ortsbestimmung eines Schiffes wurde
erst mit John Harrisons Chronometern
möglich.
Schiffschronometer des
Zerstörers Bayern
Wempe, 1960
Heute Sammlerstück
16. Juli 2000 22:19:03
Nelson, NZ
41º 18’ S
173º 16’ E
17. Juli 2000 02:49:02
32
B.P. 2006
Sternbedeckungen
Sternbedeckungen durch Asteroiden und Planeten
sind Beobachtungen, die ideal für Amateurastronomen geeignet sind. Sie erfordern kleine
Teleskope und das Zusammenwirken möglichst
vieler Beobachter.
Entscheidend sind präzise Uhren und der genaue
Standort. Heute lässt sich beides mit einem GPSSystem ermitteln.
Noch vor nicht allzu langer Zeit mussten Ort und
Zeit durch Beobachtung von Meridiandurchgängen
von Sternen ermittelt werden, insbesondere wenn
man sich irgendwo in der Wildnis befand.
Das nebenstehende Beispiel soll zeigen, dass
Amateure heute essentielle Beiträge zur Wissenschaft leisten können. Die Messungen wurden in
Chile durchgeführt. Die 8m-Teleskope waren bereit,
doch lagen sie außerhalb des Schattens. Die Amateure konnten sich kurzfristig mit kleinen Teleskopen
in den Schattenbereich begeben.
Sternfreund Mike Kretlow ist Mitglied der URANIA
Wiesbaden.
Mehr im nächsten Vortrag
Dienstag 30. Mai 2006 um 19:30
33
B.P. 2006
Wer benötigt Sternennavigation im Zeitalter von GPS, GLONASS, GALILEO?
Raumsonden !
Die “Betreuung” von Raumsonden ist personalintensiv, daher sehr teuer. Eine Aufgabe der Technologieplattform
Deep Space 1 war es daher, möglichst autonom nach den Sternen zu navigieren.
(9969)Braille
Deep Space 1
19P/Borelly
Andere Sonden haben das System
übernommen:
Kometenkern 81P/Wild 2
STARDUST
Aufschlag von 9P/Tempel 1 auf Impaktor, beobachtet von Deep Impact.
Die Spindoktoren der NASA bestehen auf der Formulierung, dass der Komet den Kupferblock zerstörte.
Die friedliebende amerikanische Nation attackiert nicht mal Himmelskörper!
34
B.P. 2006
Frühe nichtastronomische Uhren: Wasseruhren
Einfache Klepsydren (Wasserdiebin)
wurden als Stopuhren verwandt. Sie
begrenzten z.B. Redezeiten vor Gericht.
Wasseruhr "mit dem Elefanten"
Rekonstruktion der von al-Gazarî
ersonnenen und in seinem Buch
dokumentierten Wasseruhr in
Originalgöße um 1200 n. Chr.
Der alexandrinische Mechaniker Ktesibios erfand die Uhr mit hydraulischem
Antrieb. Entscheidend für “Ganggenauigkeit” ist, dass der Wasserspiegel im
Zulaufgefäß konstant gehalten wird.
Wasseruhren wurden später im islamischen Raum weiterentwickelt.
Institut für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften
an Uni Ffm hat eine Ausstellung mit Modellen alter Instrumente.
35
B.P. 2006
Der Anti-Kythera Mechanismus
In der Antike kannte man wohl noch keine mechanischen Uhren. Der
Zahnradmechanismus, der von Schwammtauchern geborgen wurde, scheint
ein 2000 Jahre alter „astronomischer Kalkulator“ zu sein (ca. 90 v.Chr.), mit
dem man Planetenkonstellationen (für Horoskope?) bestimmen konnte.
Er könnte dem von Cicero beschriebenem Orrery des Posidonius von Apamea
(c. 135 – c. 51 v.Chr.) entsprechen, dem Begründer der griechischen
„wissenschaftlichen“ Astrologie.
Er zeigt, dass die Technik im Altertum fortgeschrittener war als wir glauben.
Versuch einer Rekonstruktion
36
http://de.wikipedia.org/wiki/Mechanismus_von_Antikythera
B.P. 2006
Mechanische Uhren
Im Laufe des Mittelalters schafften „reiche“ Städte vom Sonnenschein unabhängige Turmuhren
an. Die Ansprüche waren noch bescheiden, es gab meist nur Stundenzeiger.
Kalibriert wurden die Uhren mit Sonnenuhren, die an alten Kirchen eh vorhanden waren.
Bernard Walther experimentierte um 1490 mit einer
Räderuhr, die aber viel zu ungenau war.
Ein großer Schritt voran bedeuteten die Pendeluhren.
Schon Galilei hatte eine entworfen, doch die ersten
einsatzfähigen Modelle ließ sich Christiaan Huygens
1657 patentieren. Sie wiesen eine Ganggenauigkeit
von 10 Sekunden pro Tag auf und wurden schnell
in astronomischen Observatorien eingeführt.
Doch waren die mechanischen Uhren nicht geeignet
die Konstanz der Bewegung der Himmelskörper zu
überprüfen.
Um z.B. die Ganggenauigkeit der Schiffschronometer von
Harrison zu bestimmen, reiste der Astronomer Royal
Maskelyne (ein Verfechter der astronomischen Monddistanz-Methode) nach Jamaika um den Standort
astronomisch zu ermitteln.
K1: Kendalls
Kopie der H4
Aposteluhr und Kalendarium, Prag
Erste Hinweise auf die Veränderlichkeit der Tageslänge
als Basis der Zeitbestimmung lieferten antike Aufzeichnungen von Sonnenfinsternissen aus Mesopotamien und China.
37
B.P. 2006
Zweifel an der Konstanz der Bewegungen der Himmelskörper
Die säkulare Akzeleration des Mondes
Schon Edmond Halley wollte 1695 mit historischen Aufzeichnungen die Bewegungen überprüfen.
Heute nennen wir die „Akzeleration des Mondes“ eine Verlangsamung der Erdrotation (zuerst vermutet um
1750 von Tobias Mayer) auf Grund von Gezeitenreibung (zuerst vermutet von Immanuel Kant).
“Empress of Kao-tzu, 7th year, first month, day chi-ch'ou, the last day of the month. The sun was eclipsed; it was total; it was 9°
in [the lunar lodge] Ying-shih, which represents the interior of the Palace chambers. At that time the [DOWAGER] Empress of
Kao-[tzu] was upset by it and said, "This is on my account." The next year it was fulfilled.”
Han-shu (Annalen der Han-Dynastie)
(4.3.181 v.Chr.)
Anmerkung: Kaiserin Dowager verstarb 18 Monate später.
Chinesische Reichsannalen
Report on eclipses
in 118 and 120 AD.
Also 27 months after
the eclipse on Jan. 18
120 AD the Empress
Teng died.
Diese Zitate zeigen, weshalb die Hofastronomen aufmerksam den Himmel studierten und diese
Beobachtungen in die offiziellen Annalen der Dynastien aufgenommen wurden:
Astrologie
Doch nur deshalb blieben sie erhalten und wir können sie heute für wissenschaftliche Zwecke verwenden!
38
http://www.kernchemie.uni-mainz.de/~pfeiffer/aag/aagmt/mt1.htm
B.P. 2006
Historische Aufzeichnungen
Beobachtungen vor und nach Einführung der Pendeluhren
Astronomische Bemühungen, Änderungen der Erdrotation zweifelsfrei zu beweisen, lieferten bis zum Ende
des 19. Jahrhunderts keine schlüssigen Beweise [Simon Newcomb], da der Effekt sehr klein war.
Die deutlichen Abweichungen von 1870 bis 1910 gestatteten dann 1939 Sir H. Spencer Jones, starke
Korrelationen in den Positionen von Sonne, Mond, Merkur und Venus aufzuzeigen, die nur durch eine
langfristige Variabilität der Erdrotation erklärt werden können.
Mit Quarz-(30'iger) und Atomuhren (seit 50'iger Jahren) können auch kurzzeitige Abweichungen erkannt
werden, wie z.Bsp. der Einfluss des El Niño-Wetterphänomens.
1956 wurde die Definition der Sekunde von der Umdrehung der Erde abgekoppelt
und auf die Umlaufzeiten der Planeten bezogen:
Ephemeridenzeit
Anmerkung: Die Herkunft der überlagerten Schwingung mit ca. 1500 Jahren Periode ist nicht geklärt.
Eine persönliche Idee: Mit etwa der gleichen Periode wechseln Kalt- und Warmperioden ab. Das
Schmelzen und Gefrieren der Gletscher führt zu Massenverlagerungen. Mehr u.U. am 4.7.2006:
“Kann uns der Himmel auf den Kopf fallen?”
39
B.P. 2006
Atomuhren
1976 ging man einen Schritt weiter und löste sich (vorerst) von
astronomischen Vorgängen:
Atomzeit UT
"Die Sekunde ist das 9 192 631 770fache der Periodendauer der
dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des
Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden
Strahlung."
1. Atomuhr 1955
Dr. Louis Essen (rechts)
„Klassische“
Atomuhr
Fontänen-
Zurzeit passt man die (reine) Atomzeit durch Schaltsekunden an
die irreguläre Erdumdrehung an:
UTC
Die Erdrotation wird durch Beobachtung von Quasaren vermessen. Näheres in einigen Minuten.
Die Computerindustrie will zurück zur reinen Atomzeit, da
jetzt unvorhersehbare Änderungen der Programme notwendig.
Unterstützt wird sie von den Betreibern des GPS:
Die US-Militärs hatten die Schaltsekunden vergessen!
Cs-Fontänenuhr der NIST, USA
1 Sekunde in 30 Millionen Jahren
40
B.P. 2006
Intermezzo
Signale von „kleinen grünen Männchen“?
Am Cavendish Institut in Cambridge, UK, baute Tony Hewish
ein Feld von Radiodetektoren für die Beobachtung von Quasaren auf. Völlig überraschend entdeckte seine Studentin
Radiopulse mit einem extrem präzisen Abstand von 1,337
Sekunden. Ein irdischer Ursprung wurde verworfen, da kein
menschengemachter Sender diese Frequenzstabilität hatte
(damals zumindest). Ein ernsthaft diskutierter Ursprung waren
Signale von außerirdischen Intelligenzen.
Der extrasolare Ursprung zeigte sich bald in der Beobachtung,
dass die Signale jeden Tag 4 Minuten später einsetzten.
Im Laufe eines halben Jahres wurden noch drei weitere Radioquellen entdeckt. Dass sich gleich 4 technisch hoch entwickelte Studentin Jocelyn Bell Burnell, Cambridge,1967
außerirdische Kulturen um Kontakt zur Erde bemühten, war
nicht sehr wahrscheinlich, sodass man nach einer alternativen
Erklärung suchen musste.
LGM1: „Little Green Men“
41
Ihr Betreuer Antony Hewish erhielt 1974 (zusammen mit Sir Martin Ryle) den Nobelpreis.
B.P. 2006
Pulsare – Rotierende Neutronensterne
Die Radioquellen wurden bald als rotierende Neutronensterne erkannt. Die abgestrahlte Energie wird aus der
Rotationsenergie gespeist, also muss die Frequenz der
Radioimpulse langsam abnehmen, was auch beobachtet
wird. Gelegentliche Sprünge („glitches“) werden als Sternbeben in der Kruste des Pulsars gedeutet.
Man hatte auch in Erwägung gezogen, die Sekunde mit Hilfe
dieser Radioimpulse zu definieren.
Das Zeitverhalten eines physikalischen Vorgangs lässt sich nur
dann genau untersuchen, wenn die zur Verfügung stehenden
Uhren eine höhere Ganggenauigkeit als die Variabilität des
Vorgangs haben. Fast die ganze Menschheitsgeschichte
hindurch konnte die Konstanz der Bewegungen der Himmelskörper nicht untersucht werden, da alle Uhren weit unterlegen
42
waren.
B.P. 2006
VLBI - „Very Long Baseline Interferometry“
Radioteleskope haben bis 100 m Durchmesser, wovon die optischen Astronomen z.Z. nur träumen
können. Bedingt durch die langen Wellenlängen ist die Auflösung eines Teleskops jedoch weit
geringer als die eines optischen Gerätes. Andererseits gestatten es die Radiowellen Teleskope
zusammenzuschalten zu Interferometern, bei denen der Durchmesser des gesamten Feldes die
Auflösung bestimmt:
Die Einführung der Atomuhren ermöglichte es, Radioteleskope über ganze Kontinente hinweg zu
verbinden. An jedem Teleskop wurden die empfangenen Signale zusammen mit der Atomzeit
auf Magnetbänder geschrieben und dann später per Computer korreliert.
Das amerikanische Feld erstreckt sich von
Hawaii bis in die Karibik
43
Die optischen Astronomen holen auf: Interferometer mit den 2 Keck und den 4 ESO Großteleskopen. B.P. 2006
e-VLBI
Aufzeichnung auf Datenmassenspeicher
Das europäische Netzwerk
Off-line Datenauswertung später
Optisch: Hubble Deep Field. Gelb: Isoliertes Radioteleskop
Kästchen: Europäisches Netzwerk
Ist ein ziemlich umständliches Verfahren!
6 europäische Antennen sind nun direkt mit Glasfaserleitungen einer Kapazität von 1 Gigabit/sec mit einem
Korrelator verbunden: e-VLBI
44
B.P. 2006
VSOP ― VLBI Space Observatory Project
Der Erddurchmesser muss nicht die Obergrenze der Ausdehnung des Antennenfeldes
sein. Im Februar 1997 wurde der japanische
Satellit HALCA [Highly Advanced Laboratory for
Communications and Astronomy] in einen elliptischen Orbit mit dem Apogäum von 21400 km
gebracht.
Die 8 m Antennenschüssel besteht aus vergoldetem
Molybdändraht an 6 Stützarmen, die erst im Orbit
entfaltet wurden.
Apogäum 21400 km, Perigäum 560 km
VSOP-Aufnahme mit masAuflösung verglichen mit
5 arcsec Auflösung des
CHANDRA RöntgenSatelliten
X-Ray Jet Source 0637-752
Erforderlich ist der genaue Abstand zwischen den Antennen (besser als 1 m).
Eine Station auf dem Mond sollte auch funktionieren. Geht auch der Mars?
HALCA (Muses-C) 45
B.P. 2006
Anwendungen der VLBI
Radioquellen (etwa 600 Quasare) beinahe am Rande des Universums dienen als
„quasi-absolutes“ Bezugssystem:
ICRF: International Celestial Reference Frame
Man kann nun die exakt vermessenen Quellen (analog zu den GPS-Satelliten) zur millimetergenauen Bestimmung der Position der Radioantennen verwenden, womit der Geodäsie neue
Perspektiven eröffnet wurden:
• Plattentektonik
• Lage der Erdachse im Raum
• Abbremsung der Erdrotation:
Schaltsekunden für UTC
Am 14.1.05 landete die ESA-Sonde HUYGENS auf
Titan. Die Daten des Doppler-Wind-Experimentes
wurden nur verstümmelt übertragen.
Dank der Verfolgung des Abstiegs durch die VLBITeleskope, konnte die Abdrift der Sonde und damit
die Windgeschwindigkeiten in der Titan-Atmosphäre
trotzdem (aus der Trägerfrequenz) gewonnen werden.
Die mit der Radiointerferometrie mit großen Basislängen
gemessenen Bewegungen der Kontinente unserer Erde:
Die roten Pfeile zeigen in Zentimetern pro Jahr die Relativbewegungen der einzelnen VLBI-Radioteleskope. Deutlich
ist zu erkennen, wie zum Beispiel Europa und Amerika
weiter auseinander driften, Hawaii bewegt sich sogar mit
fast sieben Zentimetern pro Jahr.
46
B.P. 2006
LOFAR – Low-Frequency Array
Übertragung hoher Datenraten über hunderte km Entfernung mit
Lichtleitern gestattet nun das on-line-Zusammenschalten von
ausgedehnten Antennenfeldern:
25000 Radioantennen sollen mit einem ultraschnellen Netz
(Internet-2) zu einem digitalen „phased array“-Radioteleskop von
350 km Durchmesser verbunden werden.
Standort: Holland und Norddeutschland
Hauptziel:
Beobachtung der Bildung der ersten Sterne / Galaxien durch
extrem rotverschobene 21 cm Wasserstofflinie.
Das System ist allerdings extrem vielseitig.
• Gleichzeitige Beobachtung mehrerer Objekte.
• „Kurzer“ Blick in Vergangenheit, je nach Computerspeicher.
Die Antennen sehen eher wie Bastelarbeiten aus, bestehen aus 4
Kupferdrähten.
Die Technik des ultraschnellen INTERNET-2 wird schon eingesetzt.
Problematisch wird die Bewältigung der extrem hohen Datenraten, wobei
es nicht mit Hochleistungsrechnern allein getan ist. Zum Einsatz kommen
soll die Fortentwicklung des WWW: die GRID-Technolo-gie. Sie wird
gerade für die nächste Generation der Teilchenbeschleuniger wie dem
LHC in Genf entwickelt.
Die Aufnahme der Milchstraße wurde mit 60 Antennen in Sekunden erhalten!
Von Vorteil ist, dass das Netz während des Betriebes erweitert werden kann.
Ein deutscher Partner ist das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das auch das Teleskop in Effelsberg betreibt.
Milchstrasse, einige Sekunden
47
B.P. 2006
LOPES — A LOFAR Prototype Station
Radio Emission from Cosmic Ray Air Showers
KASCADE - Grande
KArlsruhe Shower Core and Array DEtector - Grande
LOFAR-Antennen als Teil des LOPES-Projekts zur Messung kosmischer Teilchen bei KASCADE Grande in Karlsruhe (Sommer 2003).
Obwohl schon seit 1965 bekannt ist, dass die von hoch
energetischen Teilchen der Kosmischen Strahlung
ausgelösten „Air Shower“ auch Radiostrahlung abgeben,
gibt es noch wenige Untersuchungen. Im LOPESProjekt wird jetzt ein „klassisches“ Detektorfeld
(KASKADE) zusammen mit einer LOFAR Teststation
betrieben. Beteiligt ist das MPI für Radioastronomie.
Detektoren für Tscherenkov-Strahlung
48
http://www.astro.ru.nl/lopes/
B.P. 2006
Nächster Vortrag
Dienstag 30. Mai 2006 um 19:30
Sternbedeckungen
Michael Schmidt
Astronomische Arbeitsgemeinschaft
Mainz
Okkultation des Sterns 43Tau durch Asteroiden (345)Tercidina
am 17. Sept. 2002. Ein Teil der Daten wurde nahe Freiburg von
Mitgliedern der AAG Mainz und der URANIA Wiesbaden ermittelt.
Volkshochschule Mainz: Besondere astronomische Themen
VHS-Sternwarte im Turm der Anne-Frank-Schule 16.05.2006 19:30
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