Astronomische Instrumente

einst und jetzt

Teil 2: Geräte zur Positionsbestimmung und Abstandsmessung

 

Schon seit ewigen Zeiten bedienen sich die Astronomen technischer Hilfsmittel zur Erforschung des Himmels. In dieser Folge stehen die Geräte zur Positionsbestimmung (sowohl der eigenen als auch der Sterne und Planeten) im Mittelpunkt. Beginnend mit einer einfachen Ablesevorrichtung beschreibe ich die diversen Verfahren bis hin zum Einsatz eines technisch sehr aufwendigen Oktanten. Also, begeben Sie sich mit mir noch einmal auf eine Zeitreise zurück in die Anfänge der Sternkunde und lernen Sie die Forscher und deren Leistungen auf dem astronomischen Gebiet kennen.

Der Metallring des Ptolemaios

Schon im letzten Artikel beschrieb ich die Möglichkeit, mittels Schattenstab die Himmelsrichtung und auch die Sonnenhöhe zu bestimmen. Damit war es ferner möglich, die Jahreszeiten zu bestimmen. Eines der ersten Messgeräte zur direkten Messung der Sonnenhöhe über dem Horizont entwarf jedoch der griechische Astronom Ptolemaios (83 – 161 n. Chr.). Er beschrieb das komplizierte Gerät folgendermaßen: "Wir werden einen metallenen Ring von angemessener Größe herstellen, der an seiner Oberfläche genau vierkantig abgeschärft ist. Nachdem wir ihn in die üblichen 360 Grade des größten Kreises und jeden derselben in so viel Unterabteilungen geteilt haben, als angängig ist, soll uns dieser Ring als Meridiankreis dienen. Wir fügen hierauf einen zweiten, schmaleren, kleinen Ring derartig unter den erstgenannten ein, dass ihre Seitenflächen immer in einer Ebene bleiben, während der kleinere Ring unter dem größeren in derselben Ebene nach Norden und nach Süden ungehindert in Umdrehung versetzt werden kann. An irgend zwei diametral gegenüberliegenden Stellen bringen wir auf der einen Seitenfläche des kleineren Ringes zwei kleine gleich große Platten an, welche sowohl mit Bezug aufeinander als auf den Mittelpunkt der Ringe genau die Richtung der Normalen einhalten. Auf die Mitte ihrer Breitseite sind dünne Zeiger aufgesetzt, welche an der Seitenfläche des größeren eingeteilten Ringes unter leichter Berührung entlanggleiten."

Mit Hilfe dieser Ringe konnte nach dem Prinzip von Kimme und Korn die Sonne angepeilt und dadurch auch die Höhe gemessen werden.

Natürlich musste hier mit größter Genauigkeit gearbeitet werden. Um einen exakten Wert des Moments zu erhalten, zu dem sich die Sonne im "Wendepunkt" ihrer Bahn am Himmel befindet, genügte es nicht, diese Messungen nur einmal durchzuführen. Vielmehr mussten viele Messungen gemacht werden um einigermaßen genaue Ergebnisse zu erhalten.

Der Dreistab

Ein anderes frühes astronomisches Messgerät ist der Dreistab (Triquetrum). Er wurde vermutlich aus der Schmiege weiterentwickelt. Bei der Schmiege handelt es sich um eine Art Zirkel mit zwei Stäben, die um einen Punkt gedreht werden können. Bringt man den Kopf der Schmiege an des Auge, während man die Schenkel auf die Objekte richtet, deren Abstand es zu bestimmen gilt, so lässt sich der Winkel direkt am Gerät ablesen. Der Dreistab wurde ebenfalls von Ptolemaios benutzt. Aber auch von Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543) weiß man, dass er mit ihm gearbeitet hat. Das Gerät besteht aus einem senkrechten Stab, an dem ein zweiter mit einer Visiereinrichtung (Diopter) drehbar angebracht ist, sowie einem anderen drehbaren Stab mit einer Längsteilung, der am unteren Ende des senkrechten Stabes befestigt ist. Bei der Konstruktion achtete Ptolemaios sorgfältig auf die richtigen Abmessungen der Einzelteile: Einerseits sollten die Stäbe lang genug sein, um eine feine Unterteilung zu ermöglichen, andererseits mussten die "vierseitigen Richtscheite" einen relativ großen Umfang aufweisen, damit sie sich nicht verziehen konnten. Mit dem Dreistab hatte man die Höhe der Gestirne, besonders auch die des Mondes, über dem Horizont bestimmt. Nachdem man das Gerät gewissenhaft aufgestellt hatte, peilte man das Objekt an und las die Richtung des beweglichen Stabs auf der Skala des zweiten ab. Aus einer Sehnentafel (dem Vorläufer der Sinustabelle) ließ sich dann der zu den abgelesenen Werten gehörige Winkel entnehmen. In der Fachliteratur wird dieses Gerät auch manchmal parallaktisches Lineal genannt.

Das Astrolabium

Das Astrolabium gilt als Vorläufer der drehbaren Sternkarte. Es zeigt den jeweiligen Himmelsanblick nach Datum und Tageszeit. Es wurde bereits in der griechischen Antike erfunden, im Islam weiterentwickelt und von portugiesischen Seefahrern bis ins 17. Jahrhundert verwendet. In einigen islamischen Ländern werden Astrolabien heute noch hergestellt und unter anderem aus religiösen Gründen benutzt. Das Astrolabium besteht aus vier Teilen. Der äußerste kreisrunde Ring (Mater) ist in 360 Grade oder 24 Stunden eingeteilt. Die innenliegende Scheibe (Tympana) ist eine ebene (stereographische) Projektion des Sternhimmels, die nach Breitengraden auswechselbar und drehbar ausgeführt ist, meist in Messingguss. Ein weiterer Ring im Inneren (Rete) ist ein Netz mit Darstellung der Tierkreise und der wichtigsten Fixsterne, ebenfalls drehbar angebracht.

Damit lassen sich in der Art eines Analogrechners die Himmelskoordinaten Rektaszension und Deklination in die Horizontkoordinaten Azimut und Zenitdistanz umrechnen. Das Astrolabium ist zusätzlich mit einer beweglichen Visiereinrichtung (Alhidade) zur Messung von Zeitspannen ausgestattet, wenn es frei an der Hand des Beobachters hängt. Außer zur Seenavigation wurde das Astrolabium zur Lösung von Aufgaben der sphärischen Trigonometrie, zur Bestimmung von Auf- und Untergangszeiten von Gestirnen, Dauer der Dämmerung und auch zur Aufstellung von Horoskopen benutzt. Eine moderne Ausführung ist das Prismenastrolabium zur Bestimmung von Ortszeit, lokaler Sternzeit und geographischer Breite. Mit ihm wird der Durchgang eines Sterns durch eine auf 30° festgelegte Zeitdistanz beobachtet. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe von Tabellen oder durch Rechnung.

Der Quadrant

Als astronomisches Visierinstrument wurde der Quadrant zur Bestimmung der Zenitdistanz und Position von Gestirnen eingesetzt. Es besteht aus einem Viertelkreis mit Gradskala und Ablesevorrichtung, entweder beweglich mit Senklot (Azimutalquadrant) oder ortsfest im Meridian (Mauerquadrant) montiert. Das zu bestimmende Objekt wurde beispielsweise mit einem Azimutalquadranten (siehe Abbildung) angepeilt. Dieser Azimutalquadrant konnte so um seine Achse gedreht werden, dass das zu beobachtende Gestirn längs eines Schenkels des 90-Grad-Winkels über Kimme und Korn angepeilt werden konnte. Das herabhängende Lot zeigte dann auf dem Viertelkreis den Höhenwinkel an. Den Bau und die Anwendung eines solchen Quadranten hat übrigens unser Vereinsmitglied Karl Thurner schon einmal ausführlich beschrieben. In der Ausgabe Nr. 53 des Uranus vom Dezember 1985 können Sie einen sehr informativen Bericht darüber lesen. Haben Sie diese Ausgabe nicht zur Hand, so wenden Sie sich an uns, wir sind gerne bereit, Ihnen den Artikel zu kopieren.

Um wirklich genaue Ergebnisse durch die Messung mit Hilfe eines Quadranten zu erreichen, mussten in der damaligen Zeit gleich mehrere unterschiedliche Faktoren berücksichtigt werden. Erstens benötigten die Astronomen sehr genaue Uhren, zweitens eine äußerst genaue Gradeinteilung auf dem Viertelkreis, drittens eine genaue Visiereinrichtung und viertens viele Messungen. Neben Kopernikus hat vor allem Tycho Brahe (1546 – 1601) den Quadranten als wichtiges Messinstrument eingesetzt. Brahe war auf ausgedehnten Reisen durch Europa unter anderem auch nach Nürnberg, einem der damaligen Zentren der Astronomie, gekommen. Zu dieser Zeit hatte sich in ihm schon die Überzeugung gefestigt, dass man besseres Beobachtungsmaterial über die Position der Sterne nur erhalten könnte, wenn man größere Instrumente mit erheblich genaueren Teilkreisen baute. Eine reiche süddeutsche Patrizierfamilie unterstützte Brahes Experimente durch finanzielle Zuwendungen, ohne die der Bau des ersten Präzisionsgroßinstruments der neueren Astronomiegeschichte nicht möglich gewesen wäre: Brahe ließ in Augsburg einen Quadranten aus Holz anfertigen, dessen Radius 5,5 m betrug. Dadurch konnte der Viertelkreis aus Messing auf 10 Bogensekunden genau unterteilt werden. Brahe selbst führte allerdings mit diesem Instrument keinerlei Beobachtungen aus; er hatte Augsburg vielmehr längst verlassen, als der Quadrant endlich fertig wurde. Jedoch ließ er sich brieflich über alle Einzelheiten des Baus und die Eigenschaften des Instruments unterrichten, so dass er die bei diesem Projekt gewonnenen Erfahrungen für seine späteren Pläne sehr nutzbringend verwerten konnte. Er begann schließlich mit der Errichtung einer eigens für Himmelsbeobachtung vorgesehenen Stätte – einer Sternwarte. Im Jahre 1573 beschäftigte sich Brahe mit der Konstruktion eines Quadranten, der zwar nur 39 cm Durchmesser besitzen, aber eine Ablesegenauigkeit bis auf einige Bogenminuten genau haben sollte. Hierbei wendete er ein Verfahren an, das bereits einige Jahrzehnte zuvor der Portugiese Petrus Nonius (1492 – 1577) vorgeschlagen hatte: Innerhalb des eigentlichen, in Segmente von 5 Bogenminuten unterteilten Messkreises werden insgesamt 44 weitere konzentrische Kreise angebracht, die jeweils von außen nach innen abnehmend mit 89, 88, usw. bis 46 Teilstrichen versehen sind. Diese Vorrichtung ist nach Nonius benannt. Im Prinzip hätte man mit Hilfe dieses Quadranten sogar bis auf einige Bogensekunden genau ablesen können. Allerdings kommt alles auf die Präzision der technischen Ausführung an. Schließlich gelang es Brahe aber doch, bis auf 5 Bogensekunden genau zu messen.

Das berühmteste aller Tychonischen Instrumente ist wohl der gewaltige Mauerquadrant, ein mit einer Mauer starr verbundener Viertelkreis, mit dem Tycho und seine Gehilfen die meisten Beobachtungen anstellten. Sein Radius betrug etwa 2 Meter. Das gesamte Instrument war aus Messing gegossen und reich verziert. Da das Gerät fest nach Süden aufgestellt war, konnte mit ihm nur die höchste Höhe eines Objektes über dem Horizont gemessen werden. Die Ablesung erfolgt hier nicht mit Hilfe von Alhidaden (Kimme und Korn), statt dessen werden unmittelbar zwei Visiere verwendet. In der Maueröffnung befindet sich ein vergoldeter Zylinder mit dem selben Durchmesser wie die Visierplatten. Die mit diesem Quadranten erreichte Genauigkeit der Messungen soll 10 Bogensekunden betragen haben.

Neuere Quadranten wurden mit Teleskopen versehen, um eine noch bessere Ablesegenauigkeit zu erreichen.

Der Oktant

Der Oktant erinnert in gewisser Weise an den schon beschriebenen Dreistab und dient dazu, den Winkelabstand zweier Objekte zueinander genau zu bestimmen.

Im Mai 1731 erklärte Edmond Halley (1656 – 1742) vor der Königlichen Akademie, dass es kein Instrument gebe, mit dessen Hilfe man hinlänglich genau die Abstände des Mondes oder der Sonne von anderen Gestirnen auf See bestimmen könne, und dass er deshalb auch die Methode der "Monddistanzen" im Zusammenhang mit der Längenbestimmung für unbrauchbar halte. Die Koordinaten des Mondes könne man eben nur für solche Momente tatsächlich genau bezeichnen, in denen der Mond einen Stern bedeckt. Offensichtlich veranlasste diese Äußerung den englischen Instrumentenhersteller John Hadley (1682 – 1744) die Royal Society von der Erfindung eines Instruments zu unterrichten, obwohl die Arbeiten daran noch nicht ganz abgeschlossen waren. Er nannte er Spiegeloktant.

Im Gegensatz zum Dreistab lassen sich die beiden metallenen Schenkel, die einen Sektor von 45° (1/8 des Vollkreises, daher der Name Oktant) bilden, gegeneinander verstellen, wobei der eine der beiden Metallstäbe über einen querlaufenden Verbindungsstab geführt wird. Der Teilkreis (Limbus) ist statt in 45 Grade in 90 halbe Grade geteilt, die aber als ganze gezählt werden. Die Grade sind nochmals in Sechstel unterteilt, das heißt in Abständen von 10 Bogenminuten. Um den Zapfen bewegt sich die Alhidade. An ihrem Ende ist ein Nonius angebracht, auf dem jeder Teilstrich schließlich die Ablesung von 10 Bogensekunden gestattet. Auf einer runden Scheibe am Ende der Alhidade befindet sich ein senkrechter Planspiegel, dem am Körper des Oktanten ein kleinerer senkrechter Spiegel gegenübersteht. Der kleinere Spiegel unterscheidet sich von dem größeren vor allem dadurch, dass seine obere Hälfte durchsichtig und nur die untere verspiegelt ist. Mittels eines Fernrohrs, das sich auf den halbierten Spiegel so einstellen lässt, dass man gleichzeitig sowohl die durchsichtige als auch die spiegelnde Fläche im Gesichtsfeld hat, wird der kleinere Spiegel betrachtet. Um nun den Winkelabstand zweier Objekte zu bestimmen, verfährt der Beobachter folgendermaßen: Zunächst bringt er das Gerät in die Ebene, in der die beiden Objekte liegen. Dann richtet er den kleinen Spiegel auf das eine der beiden Objekte und stellt den großen so ein, dass das andere Objekt ebenfalls im Beobachtungsfernrohr erscheint. Hat er beide Objekte im Gesichtsfeld des Fernrohrs zur Deckung gebracht, kann er den Winkelabstand an der Teilung ablesen. Der Winkel zwischen den beiden Objekten beträgt dann gerade doppelt soviel wie der abgelesene Winkel, weshalb der 45° umfassende Teilkreis in 90 Grade eingeteilt ist, so dass sich zahlenmäßig der richtige Betrag ersehen lässt.

Damit bin ich schon am Ende meines Artikels angelangt. Ich hoffe, dass ich Ihnen einen kleinen Einblick in die von unseren Vorfahren verwendeten Winkelmessgeräte geben konnte.

Auf eine ganz besondere Art und Weise wurde die Ortsbestimmung von Gestirnen mit so genannten Armillarsphären vollzogen. Diese Himmelsgerüste und weitere Himmelsgloben möchte ich Ihnen in der nächsten Ausgabe näher bringen.

Dieter Meyer

Literatur und Bilder: