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Spiegelteleskop

Spiegelteleskope werden heut zu Tage sowohl von Einsteigern als auch von Profis verwendet. Je nach dem verfügbaren Budget sind verschiedene Modelle zu finden. Ein besonderer Vorteil von Spiegelteleskopen: Es treten keine Farbfehler auf.




Wie Spiegelteleskope funktionieren

Vergleicht man die Beliebtheit von Spiegel- und Linsenteleskopen, den zwei Grundtypen an Teleskopen, die Amateurastronomen zur Verfügung stehen, liegen Spiegelteleskope meist vorn. Ein Spiegelteleskop sammelt das vorhandene Licht, bündelt es in einem Spiegel und vergrößert das fokussierte Bild in einem Okular. Es gibt zwei Arten von Spiegelteleskopen, die normalerweise von Amateuren benutzt werden: der Newton-Spiegel, nach seinem Erfinder, Sir Isaak Newton, benannt; und das Schmidt-Cassegrain-Teleskop (SCT), das die Spiegel- und Linsen-Technik kombiniert.

Der große Vorteil von Spiegelteleskopen (Reflektoren) ist, dass bei ihnen, im Gegensatz zu Linsenteleskopen, keinerlei Farbabweichungen auftreten. Auch muss der Spiegel in einem Reflektor nur auf der Oberfläche exakt poliert sein, wodurch er billiger produziert werden kann als eine vergleichbar große Linse.

Die Öffnung ist entscheidend: Je größer die Öffnung, desto mehr Licht kann das Teleskop einfangen und folglich auch schwächere Objekte sichtbar machen. Hinzu kommt, dass Teleskope mit größerer Öffnung mehr Details zeigen und ein höheres Auflösungsvermögen besitzen. Sie können auch zwischen sehr nahe beieinander liegenden Objekten unterscheiden.

Das gebräuchlichste Spiegelteleskop ist der Newton-Spiegel. Er bündelt das Licht anstatt mit einer Linse mittels eines runden Spiegels mit einer konkaven Oberfläche am Grund einer Röhre (Tubus). Dieser Spiegel allein würde das Licht irgendwo am oberen Ende der Röhre sammeln; um es zu sehen, müsste man den Kopf in den Lichtstrahl halten. Deshalb wird der Strahl durch einen kleineren flachen Spiegel im rechten Winkel aus der Röhre gelenkt, sodass das Bild vergrößert und in einem Okular gesehen werden kann.

Gute Ergebnisse lassen sich mit dem Newton-Spiegel erzielen. Ein 15-Zentimeter-Newton-Spiegel ist meist billiger als ein 7,5-Zentimeter-Linsenteleskop, liefert ausgezeichnete Ausblicke auf den Mond und zeigt Details von Mars, Jupiter und Saturn sowie einigen schwächeren Objekten im All. Ein Nachteil: Die Spiegel sind der Luft ausgesetzt und ihre reflektierenden Beschichtungen verlieren mit der Zeit an Wirkung. Dann müssen sie erneut mit Aluminium beschichtet werden. Auch muss ein Newton-Spiegel häufig nachjustiert werden, da sich die Spiegel verstellen. Große Newton-Spiegel sind unhandlich, da die Röhren so lang sind, dass das Okular meist nur mit einer Leiter zugänglich ist.
Praktischer ist das so genannte katadioptrische Teleskop, eine Mischkonstruktion, die am oberen Ende der Röhre einen konvexen Korrektionsspiegel verwendet, der den Lichtweg innerhalb der Röhre wesentlich verkürzt. Das beliebteste katadioptrische Instrument ist das so genannte Schmidt-Cassegrain-Teleskop (SCT). Diese Teleskope sind zwar teurer als Newton-Spiegel, bieten aber den Vorteil, dass sie bequemer transportiert werden können. Für sie ist auch eine breite Auswahl an zusätzlichem Zubehör erhältlich.

Perspektiven

Die Spiegel der ersten Spiegelteleskope waren aus glänzendem Metall gefertigt. Später wurden sie aus aluminiumbeschichtetem Glas hergestellt, weil dieses das Licht besser reflektiert. Es darf nur eine geringe Dehnbarkeit besitzen, da es bei jeder Temperatur seine Form behalten muss. Die konkave Oberfläche, die das Licht bündelt und reflektiert, muss bis auf den Bruchteil eines Millimeters genau im Profil sein, weil das Teleskop sonst keine scharfen Bilder liefert.

Teleskopspiegel müssen von Hand gebaut werden und das ist teuer. Aber die Forscher suchen nach Methoden, um Spiegel aus Kunststoff zu fertigen, sodass sie automatisch aus einem Rohling gestanzt werden können, ganz ähnlich einer CD. Probleme bereitet noch die Formstabilität des Materials nach dem Pressen.

Mit der Weiterentwicklung der Materialtechnik könnten diese Probleme vielleicht gelöst werden. Irgendwann in der Zukunft könnte es sogar möglich sein, Spiegel aus intelligentem Material herzustellen, das sich an verschiedene Einstellungen erinnert. Auf diese Weise könnte man Teleskope mit einstellbaren Brennweiten entwickeln, zu einem Preis, den sich wirklich jeder Amateurastronom leisten kann.

Spiegelteleskope testen

Es gibt verschiedene Gründe, warum man ein Teleskop testen sollte. Beim Kauf eines gebrauchten Gerätes ist zu kontrollieren, ob das Instrument noch richtig funktioniert. Manchmal weist auch ein brandneues Teleskop optische Mängel auf, sodass man vorher feststellen sollte, woran das liegt und wie der Fehler behoben werden kann. Oft ist ein Gerät nach dem Transport oder einer Neubeschichtung der Spiegel nicht mehr optimal eingestellt. Dann wäre alles zu überprüfen, um die entsprechenden Justierungen vornehmen zu können.

Wer keine Spezialausrüstung besitzt, kann die Optik des Teleskops in einer klaren Nacht ermitteln, wenn die Luft ruhig ist. Wichtig ist es, das Teleskop vorher auf Außentemperatur zu bringen, um Luftturbulenzen im Fernrohr selbst zu vermeiden, denn diese können auch bei der besten Optik die Bildwiedergabe verfälschen. Kleinere Teleskope sollten mindestens 30 Minuten, größere eine Stunde staub- und taugeschützt im Freien stehen.

Der erste Test ist einfach: Man beobachtet einen hellen Stern durch ein qualitativ hochwertiges Okular, das pro 2,54-Zentimeter-Öffnungsweite eine 50-fache bis maximal 250-fache Vergrößerung bietet. Idealerweise erscheint das anvisierte Objekt als heller Lichtpunkt, in der Praxis ist das aber nur selten der Fall. Aufgrund der Diffraktion (Lichtbeugung) sieht man anstatt eines Lichtpunktes eine kleine, von schwach leuchtenden Ringen umgebene Scheibe. Am deutlichsten ist das in kleineren Teleskopen zu beobachten. In größeren breitet sich das Bild bei schlechten Bedingungen aus, sodass man anstatt der klar umrissenen Scheibe einen diffusen Fleck sieht.

Nun wird das Bild unscharf gestellt. In einem präzise eingestellten Teleskop müssten sich die Ringgebilde in eine gleichmäßig runde Scheibe verwandeln, die auf beiden Seiten des Brennpunktes gleich aussieht. Bei Linsenfernrohren müsste sie vollständig sein, während in den meisten Spiegelfernrohren der Sekundärspiegel in der Scheibenmitte einen Schatten erzeugt.

Spiegel nachjustieren

Befindet sich der Schatten nicht genau im Zentrum, obwohl der Stern genau mittig im Sichtfeld liegt, ist ein Spiegel oder mehrere verstellt. Bei Newton-Reflektoren sind meist beide Spiegel nachjustierbar, aber in katadioptrischen Fernrohren geht das nur beim Sekundärspiegel. Um die Optik zu richten, entfernt man das Okular und stellt mit einem Blick durch den Tubus fest, ob beide Spiegel exakt konzentrisch liegen. Sind sie verschoben, wird erst der Sekundärspiegel justiert. Da sich die Linsen eines Refraktors normalerweise nicht nachjustieren lassen, liegt im Fall eines Bildfehlers ein Fabrikationsfehler der Hauptlinse oder des Okulars vor.

Häufig sind Unregelmäßigkeiten außen um die Lichtscheibe herum. Bei drei regelmäßig verteilten Fehlstellen ist vermutlich der Spiegel bzw. die Linse in ihrer Halterung eingeklemmt, was sich eventuell beheben lässt. Eine einzelne Unregelmäßigkeit könnte dagegen auf eine dauerhaft verzerrte Optik hinweisen.

Perspektiven

Hersteller testen die Präzision der Optik ihrer Instrumente mit einfachen, aber hoch empfindlichen Geräten. Dabei wird durch Simulation nur festgestellt, wie gut sich ein Teleskop auf Sternenlicht einstellt. Das kann ein Hobbyastronom genau mit dem Foucault-Test herausfinden. Eine winzige beleuchtete Öffnung simuliert einen Stern. Der Tester bewegt eine Messerklinge durch den Lichtpunkt und beobachtet, wie das Licht von der Klinge abgeschnitten wird. Es ist einfacher, für den Test einen echten Stern anzuvisieren. Verfügt das Teleskop nicht über einen Motorantrieb, fixiert man den Polarstern, der sich sehr langsam über den Himmel bewegt.

Zur Durchführung des Messertests muss sich der Stern in der Mitte des Sichtfeldes befinden, dann wird das Okular abgenommen. Wenn man nun das Auge anlegt, müsste das Sternenlicht den Spiegel bzw. die Linse ausfüllen, also im Grunde ein völlig verschwommenes Bild liefern. Falls das Licht nicht die ganze Fläche ausfüllt, wird das Auge näher an das Teleskop herangeführt und die Scharfeinstellung justiert. Nun die Klinge vor dem Auge in den Lichtstrahl schieben, sodass das Sternenlicht abgeschnitten ist. Befindet sich die Klinge knapp außerhalb des Brennpunktes, scheint sich sein Schatten von der gleichen Seite aus zu bewegen, von der aus die Klinge bewegt wurde. Liegt sie im Brennpunkt, bewegt sich der Schatten der Klinge in entgegengesetzter Richtung. Der Trick besteht darin, die Klinge in die Position zu bekommen, die exakt auf dem Brennpunkt liegt, sodass das Licht scharf abgeschnitten wird.

Entwicklung des Spiegelteleskops – vom Newton zum Dobson

Anfang des 17. Jahrhunderts stagnierte die Entwicklung der Teleskope. Die damaligen Fernrohre waren Refraktoren mit simplen Linsen, die störende Farbeffekte hervorriefen. Um das zu vermeiden, baute man immer längere Teleskope – manche sogar bis zu 45 Meter. Dann entdeckte Newton, dass Spiegel keine Farbverfälschungen verursachten. Newton baute 1668 den ersten Reflektor mit Metallspiegeln. Dieser hatte eine Öffnung von zweieinhalb Zentimetern und war gerade 17,7 Zentimeter lang. Seitdem wurde das Bauprinzip des Spiegelteleskops immer ausgereifter.

  • 1663 James Gregory entwirft ein Spiegelteleskop.
  • 1668 Isaac Newton baut den Prototypen eines Spiegelteleskops.
  • 1721 John Hadley baut das erste in der Praxis verwendbare Spiegelteleskop.
  • 1789 William Herschel stellt sein 12-Meter-Teleskop fertig.
  • 1856 Herstellung des ersten Spiegels aus metallbeschichtetem Glas.
  • 1948 Fertigstellung des 5,08-Meter-Haleteleskops auf dem Mount Palomar.
  • 1992 Errichtung des 9,8 Meter großen Segmentspiegels des Keckteleskops auf dem Mauna Kea.
  • 2000 Planung des 100 Meter großen OWL (Overwhelmingly Large Telescope = Überwältigend großes Teleskop).

Newtons Originalteleskop

Das von Newton entworfene Spiegelteleskop besitzt einen konkaven Hauptspiegel, der das Licht bündelt sowie einen kleinen, flachen Sekundärspiegel, der den Lichtstrahl im Tubus seitlich in das Okular ablenkt. Dieses System ist bis heute weit verbreitet.

Gregory-Teleskop

Es ist älter als das Newton-Teleskop. Der konkave Sekundärspiegel reflektiert den Lichtstrahl durch eine Bohrung im Zentrum des Hauptspiegels. Dies erzeugt ein aufrecht stehendes Bild. Eine gerade Durchsicht ist möglich.

Cassegrain-Teleskop

Es wird im Gegensatz zum Gregory-Teleskop auch heute noch häufig eingesetzt, insbesondere von Profis. Der konvexe Sekundärspiegel ermöglicht kürzere Tubusse als beim Gregory, allerdings steht das Bild auf dem Kopf.

Schmidt-Cassegrain

Verstärkt man die Krümmung des Hauptspiegels, verkürzt dies zwar den Tubus, führt aber auch zu Verzerrungen. Beim kompakten und leistungsfähigen Schmidt-Cassegrain wird dies mittels einer Korrekturlinse behoben.

Entwicklungsstufen

Obwohl das Newton-Spiegelteleskop keine störenden Farbeffekte mehr aufwies, hatte es doch Nachteile. Das Reflexionsvermögen der Speculumspiegel war gering, zudem wurde sie schnell trüb. Und je größer die Spiegelfläche war, desto schwieriger waren Verzerrungen zu vermeiden.

Erst als John Hadley 1721 einen gut polierten Speculumspiegel anfertigte, indem er ihm anstatt der herkömmlichen sphärischen eine parabolische Form verlieh, konnte das Spiegelteleskop dem Linsenfernrohr ernsthaft Konkurrenz machen. Trotz seiner geringen Öffnung von fünfzehn Zentimetern wies das Hadley-Teleskop nicht nur die gleiche Leistung auf wie das 37,5 Meter lange Huygens-Linsenfernrohr, sondern war auch noch wesentlich handlicher.
Dank dieser Erfindung erhielten auch das Gregory- und das Cassegrain-Teleskop neuen Auftrieb. Bei beiden wurde der Primärspiegel mit einer Bohrung in der Mitte versehen, sodass sich das Okular wie bei einem Linsenfernrohr am hinteren Ende befand. Das Gregory-Teleskop erfreute sich im 18. Jahrhundert großer Beliebtheit, weil es aufrechte Bilder lieferte und auch zur Beobachtung terrestrischer Objekte taugte. Der Franzose N. Cassegrain, Arzt am Hof von Louis XIV., entwickelte eine abgewandelte Version dieses Teleskoptyps. Es hatte einen kürzeren Tubus als sein Vorgänger und war somit recht kompakt. Da ein Cassegrainspiegel bessere Bilder liefert als ein Gregoryspiegel, wird dieses Instrument bis heute auch von Berufsastronomen verwendet.

Spiegel aus Glas

Im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert wurden die Spiegelteleskope immer größer. William Herschel (1738-1822) perfektionierte das Herstellungsverfahren für Teleskopspiegel aus der damals üblichen Kupfer-Zinn-Legierung (Speculum). Ausgehend vom 17,8-Zentimeter-Teleskop, mit dem er den Uranus entdeckte, entwickelte er zunehmend längere Teleskope von bis zu zwölf Metern, mit denen er immer tiefer in den Weltraum vordringen und tausende neuer Himmelsobjekte ausfindig machen konnte. Die von William Herschel hergestellten Instrumente waren wegen ihrer Qualität trotz der Speculumspiegel, die leicht blind wurden, sehr begehrt.

1853 fand Justus von Liebig (1803-1873) heraus, wie man Glas mit einer dünnen Silberschicht versehen kann. Von nun an waren Teleskopspiegel einfacher herzustellen, leichter und reflexionsfähiger und den bisherigen Speculumspiegeln qualitativ überlegen.

Auch die Fotografie zog inzwischen vermehrt in die Astronomie ein. Allerdings hatten diese Teleskope stark gekrümmte optische Oberflächen, die zu Verzerrungen führten. Dieses Problem löste 1931 der estnische Optiker Bernhard Schmidt (1879-1935): Er baute in den optischen Kanal eine komplex geformte, schwache Linse, die Korrekturlinse, ein und erhielt eine Kombination aus Linsen- und Spiegelfernrohr, das katadioptrische Teleskop. In Observatorien werden Schmidtkameras mit Öffnungen von bis zu 135 Zentimetern verwendet. Das Schmidt-Cassegrain-Teleskop, eine Abwandlung dieses Typs, ist heute eines der beliebtesten hochwertigen Teleskope.

Im 20. Jahrhundert wurden die noch verbliebenen Probleme mit Herstellung und Aufhängung großflächiger Spiegel behoben. Ein Segmentspiegel setzt sich aus mehreren kleineren Einzelspiegeln zusammen, die per Computersteuerung einzeln ausrichtbar sind, ein System namens adaptive Optik. Da die Einzelelemente zusammen weniger wiegen als ein einziger großer Spiegel von gleicher Gesamtfläche, ist ein solches System leichter zu montieren. Auch die Keck-Observatorien auf dem Mauna Kea (Hawaii) arbeiten mit Segmentspiegeln.

1944 erfand Dmitri Maksutow ein hervorragend korrigiertes katadioptrisches Teleskop, dessen optische Oberflächen sphärisch geformt und leicht herstellbar waren. Dank seiner stark gekrümmten Korrekturlinse war es zwar auf relativ kleine Öffnungen begrenzt, eignete sich aber aufgrund seiner Tragbarkeit für Amateure. Heute gibt es kleine computergesteuerte Maks, die man überall mitnehmen kann.
Im Juni 2000 wurden die Pläne zur Errichtung des OWL (Overwhelmingly Large Telescope) in Chile bekannt gegeben, dessen dünner 100-Meter-Segmentspiegel mittels adaptiver Optik voll steuerbar ist.