I. Einleitung
Das Wort „Teleskop“ stammt ursprünglich aus dem griechischen. Es setzt sich aus zwei Worten zusammen.
tele (fern) und skopein (betrachten)
Warum benötigt man ein Teleskop?
Wie die Übersetzung des Namens schon sagt, dient es um in die Ferne sehen zu können. Es gibt Bereiche wie zum Beispiel die Astronomie, welche aufgrund der gegebnen Umstände und der enormen Entfernungen zwangsläufig auf Beobachtungen aus der Ferne angewiesen sind. Man kann in der Astronomie nicht so nah an ein Geschehen herantreten, dass man alle Details erkennen kann. Wir sind durch die Leistung unserer Augen in bestimmter Weise eingeschränkt. Diese sind allgemeine Werkzeuge unseres Körpers. Leider haben sie eine minimale Vergrößerungskapazität, eine limitierte Auflösung und auch eine Begrenzung des Lichteinfalls. So sind wir, wenn wir die Leistungsfähigkeit unserer Augen verbessern wollen auf optische Hilfsmittel wie zum Beispiel Brillen, Ferngläser oder Teleskope angewiesen. Das Teleskop ein optisches Hilfsmittel, welches sehr ferne Gegenstände vergrößert darstellen kann. Es zeigt einen kleinen Ausschnitt und vergrößert die darin enthaltenen fernen Objekte.
Geschichte
Leider kann man den genauen Zeitpunkt der Erfindung des Teleskops nur sehr vage angeben. Ähnlich verhält es sich bei der Frage nach dem Erfinder. Grundsätzlich kann man sagen, dass für diese Rolle sehr viele Astronomen in Frage kommen. In diesem Zusammenhang werden sehr häufig Namen wie Galileo Galilei, Simon Marius so wie Thomas Harriot genannt.
Diese Astronomen haben es zwar nicht mit Sicherheit erfunden, sicher ist nur, dass sie die ersten Menschen waren, die das Fernrohr zum Himmel richteten, und das spielte sich um die Jahre 1609/1610 herum ab.
Galilei geriet mit Marius sogar in einen Streit, weil jeder von ihnen jeweils behauptete, die vier hellsten Jupitermonde als erster gesehen zu haben
Galilei sichtete diese erstmalig im Januar 1610, was eindeutig belegt ist. Das Bild links zeigt seine Zeichnung, die er in Folge seiner Entdeckung anfertigte. Marius behauptete, die Jupitermonde früher gesehen zu haben, was letztlich nicht nachweisbar ist. So wird Galilei für gewöhnlich als Entdecker der vier hellsten Jupitermonde geführt, obwohl es Hinweise darauf gibt, dass Harriot die Monde noch vor Galilei und Marius gesehen, aber ihre wahre Natur nicht erkannt hat.
Mittlerweile glaubt man aber daran, dass die wirkliche Erfindung ein Holländer namens Johannes Lippershey machte. Dies soll mit großer Wahrscheinlichkeit um das Jahr 1608 erfolgt sein. Er war von Beruf Brillenmacher.
1609 entwickelte Galilei ein zusammengesetztes Mikroskop, welches aus einer konvexen (=nach außen gewölbt) und einer konkaven (= nach innen gewölbt) Linse bestand. Diese verbesserte und verfeinerte Version Lippersheys, von ihm "Occhiolino" genannt, schenkte er 1612 dem polnischen König Sigismund III.
II. Wirkungsweise
Definitionen
Sammellinse (auch Konvexlinse, Positivlinse) = ist eine Linse mit positiver, vergrößernder Brechkraft. Die Sammellinse sammelt das Licht und fokussiert es in ihrem Brennpunkt.
Brennpunkt = der Punkt, in dem eine optische Linse oder ein Hohlspiegel alle parallelen Lichtstrahlen sammelt
Brennweite = Abstand zwischen Objektiv und Brennpunkt
Objektiv = Ein Objektiv ist ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Objektes erzeugt
Okular = eine Linse oder Linsensystem, durch das man mit dem Auge (lat. oculus) in ein optisches System blickt
Die allgemeine Wirkungsweise von Teleskopen
Man bündelt parallel einfallende Lichtstrahlen mit Hilfe eines Objektivs in einem Punkt, dem so genannten Fokalpunkt (Brennpunkt). Das Objektiv, also das Licht sammelnde Medium, das dem zu beobachtenden Objekt zugewandt ist, ist eine bikonvexe, also beidseitig erhabene Glaslinse. Diese Strahlen werden sodann von einer Linse oder einer Gruppe von Linsen, Okular genannt, vergrößert. Dieses Okular wird hinter dem Brennpunkt platziert. Der Durchmesser des zu beobachtenden Gebietes richtet sich nach dem Gesichtsfeld des verwendeten Okulars.
Das eigentliche astronomische Fernrohr wurde von Johannes Kepler entwickelt und beschrieben, weshalb man bis heute vom Keplerschen Fernrohr spricht. Es benutzt als Okular eine bikonvexe Linse. Dieses Teleskop entwirft auf dem Kopf stehende Bilder. Sämtliche heutigen Linsenteleskope vom Amateurinstrument bis zum professionellen Sternwartengerät beruhen auf dem Prinzip des Keplerschen Fernrohrs. Da die Bilderzeugung bei dieser Teleskopart auf Brechung ("Refraktion") beruht, spricht man auch von einem "Refraktor".
III. Refraktor - Reflektor
Es gibt grundsätzlich zwei Arten, Licht zu bündeln:
- Man schickt die Lichtstrahlen durch eine oder mehrere Linsen, "gebogene" und polierte "Glasscheiben". Das Gerät wird aufgrund der Lichtbrechung als Refraktor bezeichnet.
- Man verwendet zum Sammeln des Lichts einen gekrümmten Spiegel. Das am meisten verbreitete Design ist der Newton-Reflektor, benannt nach seinem Erfinder Isaac Newton.
1.) Refraktor
Nach dem Konstruktionsprinzip unterscheidet man das Galilei-Fernrohr oder holländische Fernrohr vom Kepler-Fernrohr oder astronomischen Fernrohr.
Galilei-Fernrohr
Das Galilei-Fernrohr hat als Objektiv eine Sammellinse und als Okular eine Zerstreuungslinse kleinerer Brennweite. Es besitzt ein kleines Gesichtsfeld, stellt die Objekte aber aufrecht und seitenrichtig dar. Es ist heute nur noch als Opernglas und als fest installiertes Aussichtsfernrohr in Gebrauch.
Kepler-Fernrohr
Beim Kepler-Fernrohr werden sowohl für das Objektiv als auch für das Okular Sammellinsen verwendet. Die Vergrößerung eines Refraktors ergibt sich aus dem Verhältnis der Brennweiten des Objektivs und des Okulars. Ein Gerät mit 1.000 mm Objektiv-Brennweite und 5 mm Okular-Brennweite besitzt somit eine 200fache Vergrößerung.
Der Unterschied ist hauptsächlich im Strahlengang erkennbar
Vorteile:
- Staub und Schmutz kann aufgrund der geschlossenen Optik nicht eindringen
- Optik ist in sich geschlossen und benötigt keine regelmäßige Justierung
- System hat keine zentrale Abschattung die den Lichteinfall schwächt und das Beugungsbild einschränken kann
Problem:
Durch die unterschiedlichen Brennpunkten der verschiedenen Wellenlängen, können sich um helle Objekte Farbsäume bilden. Deswegen muss mit zusätzlichen Linsen oder speziellem Glas entgegengewirkt werden. Dies erfordert aber meist eine Sonderanfertigung und das ist sehr teuer
Reales Beispiel:
2.) Reflektor
Ein Spiegel wird durch Beschichtung eines konkaven Glases mit einer reflektierenden Schicht hergestellt. Das auftreffende Licht wird von der Oberfläche reflektiert und im Brennpunkt vereinigt. Da es keine Linsen durchläuft, produziert ein Spiegelteleskop auch keine Farbfehler.
Leider wirkt das Konzept nur bei Spiegeln mit Öffnungsverhältnis f/9 oder länger. Bei größeren Spiegeln (ab 150mm) oder kurzen Brennweiten unter f/8 wird das Licht von dieser Art von Spiegeln jedoch nicht exakt in exakt in einem Punkt vereinigt.
Die sphärische Abweichung entsteht, wenn Lichtstrahlen von Rand des Spiegels in einem anderen Brennpunkt als Strahlen von zentraleren Spiegelteilen eintreffen. Zur Bewältigung dieses Problems verwendet man Spiegel mit einer gekrümmten Form.
Vorteile:
- nur zwei optische Oberflächen müssen bearbeitet und poliert werden, das macht es preiswerter in der Produktion
- keine Farbfehler, da das Licht keine Linse durchläuft
Nachteile:
- lange Tuben aufgrund von längerer Brennweite, das macht das Teleskop viel anfälliger gegen Wind als andere Designs
- Durch die Stellung des Spiegels im Strahlengang gibt es eine Bildverschlechterung und Lichtverlust. Das Licht muss an den Metallstreben die den Spiegel befestigen, vorbei, dies führt zu einem Qualitätsverlust des Lichtes
Reales Beispiel:
IV. Bedeutende Großteleskope in der Geschichte
William Herschel (1738-1822) baute die größten Teleskope seiner Zeit und wurde vor allem durch die Entdeckung des Uranus 1781 bekannt. Aber er versuchte auch als einer der ersten Astronomen, die Struktur der Milchstraße zu ergründen.
Im Observatorium des amerikanischen Astronomen Percival Lowell (1855-1916) in Flagstaffs, gibt es einen Refraktor mit einem Objektivdurchmesser von 61 Zentimetern.
Bekannt geworden ist Lowell vor allem durch seine Marsbeobachtungen und seine Suche nach dem "Planeten X", dem Transneptun.
Das Lick-Observatorium auf dem 1283 Meter hohen Mount Hamilton unweit der kalifornischen Stadt San José besitzt einen Refraktor mit einem Objektivdurchmesser von 90 cm.(links)
Das bis heute größte Linsenfernrohr der Erde wurde 1897 am Lake Geneva im amerikanischen Bundesstaat Wisconsin in der Nähe von Chicago eingeweiht. Nach dessen Sponsor Charles Tyson Yerkes (1837-1905) spricht man bis heute vom Yerkes-Observatorium. Dessen Objektiv mit einem Durchmesser von 102 Zentimetern war auch aus dem Hause Clark(unten)
Das Konstruieren von Fernrohren hatte lange Zeit einen wettbewerbsähnlichen Charakter. Denn es gab viel zu entdecken im All. Jedoch ist vermutlich eine Objektivlinse mit einem Durchmesser von einem Meter das Limit. Denn noch größere Linsen würden sich aufgrund ihres Eigengewichtes durchbiegen, da sie ja auch nur an ihren Rändern abgestützt werden können. Denn es ist ja die Absicht, dass möglichst viel Licht, das durch die linse fällt, genutzt wird. Dieses Problem gibt es bei Spiegeln nicht, denn hier gibt es bloß eine optisch wirksame Fläche, die reflektiert, und das Medium, der Spiegel also, kann über seinem vollständigen Durchmesser an der optisch unwirksamen Seite abgestützt werden.