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Freistetters Formelwelt: Size does matter!

Warum werden Teleskope immer größer? Der Grund ist keineswegs Größenwahn, sondern das Airy-Scheibchen. Das soll nämlich möglichst klein sein.
Das Arecibo Observatorium in Puerto Rico

In der Astronomie werden Teleskope so gut wie nie dafür eingesetzt, Dinge zu vergrößern. Die allermeisten Himmelskörper sind so enorm weit entfernt, dass auch die stärkste Vergrößerung keinen Effekt hat. Man braucht Teleskope einerseits, um möglichst viel Licht zu sammeln und so auch Objekte sichtbar zu machen, die für das freie Auge viel zu schwach leuchten. Und andererseits geht es darum, die Dinge möglichst scharf zu sehen. Dabei dreht sich alles um folgende Formel:

Formel für den Durchmesser des Airy-Scheibchens.

Diese Formel gibt näherungsweise den Winkeldurchmesser θ des zentralen »Airy-Scheibchens« an. Trifft Licht mit einer Wellenlänge λ auf eine kreisförmige Blende mit dem Durchmesser D, wird es daran gebeugt. Im Zentrum kann man dann ein Maximum der Lichtintensität sehen, das von Ringen abnehmender Intensität umgeben ist. Der runde Lichtfleck im Zentrum ist der, dessen Durchmesser von der Formel beschrieben wird und der den Astronomen das Leben schwer macht.

Dass ein Lichtstrahl nicht exakt punktförmig abgebildet wird, liegt nicht an irgendwelchen technischen Problemen. Auch wenn das Licht auf ein optisch perfektes Instrument ohne Abbildungsfehler treffen würde, würde es an der Blende trotzdem noch gebeugt. Der Name Airy-Scheibchen bezieht sich auf den englischen Astronomen George Biddell Airy, der sich mit genau diesem Phänomen im 19. Jahrhundert beschäftigt hat. Und die Bezeichnung »Scheibchen« demonstriert das Problem der Astronomen: Eben weil es eine Scheibe ist und kein Punkt, ist jedes Bild, das mit einem Teleskop gemacht wird, ein wenig unscharf.

Will man das Auflösungsvermögen, also die Bildschärfe, erhöhen, dann muss das Airy-Scheibchen möglichst klein werden. Und wie die Formel deutlich zeigt, gibt es dafür genau zwei Möglichkeiten: Entweder man macht die Wellenlänge des Lichts kleiner; oder den Durchmesser der Blende größer.

Bei der Wellenlänge haben die Astronomen oft keine Wahl. Vom Erdboden aus können wir nur das »normale« sichtbare Licht beobachten, ein wenig Infrarotstrahlung und Radiowellen. Für den Rest der elektromagnetischen Strahlung ist die Erdatmosphäre nicht durchlässig. Wenn wir das Auflösungsvermögen eines Teleskops erhöhen wollen, müssen wir es so groß wie möglich bauen. Und das gilt umso mehr, wenn es sich nicht um ein optisches Teleskop handelt, sondern ein Radioteleskop. Die Wellenlänge der Radiostrahlung ist viel größer als die des sichtbaren Lichts. Es braucht große Teleskope, um hier ein brauchbares Auflösungsvermögen zu erhalten.

Zum Glück ist es leichter, große Radioempfänger zu bauen als optische Spiegel. In China wurde 2016 das 520 Meter große Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) fertiggestellt. Das weltgrößte optische Teleskop wird gerade noch gebaut: Das Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte wird aber einen Spiegel mit 39 Meter Durchmesser haben.

Sein Auflösungsvermögen wird dann so groß sein, dass man damit von der Erde aus auf dem Mond Details mit einer Größe von etwa 10 Metern erkennen kann. Was übrigens nicht ausreicht, um die Hinterlassenschaft der bemannten Mondlandungen der NASA zu erkennen. Dafür bräuchte es ein noch schärferes Teleskop, das – wie man mit der Formel berechnen kann – mindestens 200 Meter groß sein müsste. Dann hätte man eine Chance, etwas von dem zu erkennen, was die Astronauten auf dem Mond hinterlassen haben.

Ebenso einfach kann man berechnen, dass man – entgegen dem weit verbreiteten Mythos – vom Mond aus keinesfalls mit freiem Auge die Chinesische Mauer sehen kann. Unser Auge mit seiner winzigen Pupille hat einfach eine viel zu geringe Auflösung. Weswegen wir Astronomen eben auch die großen Teleskope so dringend brauchen.

39/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 39/2018

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