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Astronomie-Grundlagen verstehen
Lerne die Begriffe kennen, die dir beim Blick auf den Himmel und beim Lesen einer Sternkarte helfen.
Entfernungen und Größenordnungen im Universum
Im Alltag verwenden wir Kilometer, um Entfernungen zu beschreiben. Im Sonnensystem werden die Distanzen jedoch so groß, dass Kilometer schnell unübersichtlich werden. Deshalb nutzt die Astronomie größere Einheiten. Eine wichtige davon ist die Astronomische Einheit, kurz AE. Eine AE entspricht ungefähr der mittleren Entfernung zwischen Erde und Sonne – rund 150 Millionen Kilometern.
Für Entfernungen außerhalb des Sonnensystems wird häufig das Lichtjahr verwendet. Ein Lichtjahr ist keine Zeitangabe, sondern eine Entfernung: Es beschreibt die Strecke, die Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt. Da sich Licht mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegt, entspricht ein Lichtjahr etwa 9,46 Billionen Kilometern.
Eine weitere wichtige Einheit ist das Parsec. Ein Parsec entspricht ungefähr 3,26 Lichtjahren. Diese Einheit wird in der professionellen Astronomie häufig verwendet, besonders bei der Angabe von Entfernungen zu Sternen, Sternhaufen und Galaxien. Größere Entfernungen werden entsprechend in Kiloparsec oder Megaparsec angegeben.
Diese gewaltigen Entfernungen bedeuten gleichzeitig, dass wir bei der Beobachtung immer in die Vergangenheit blicken. Das Licht des Mondes benötigt nur etwas mehr als eine Sekunde bis zur Erde, das Licht der Sonne rund acht Minuten. Das Licht des nächsten Sternsystems ist dagegen mehrere Jahre unterwegs, und bei fernen Galaxien kann es Millionen oder sogar Milliarden Jahre alt sein.
Scheinbare und tatsächliche Größe von Himmelsobjekten
Die tatsächliche Größe eines Himmelsobjekts und seine scheinbare Größe am Himmel sind zwei völlig verschiedene Dinge. Ein Objekt kann in Wirklichkeit riesig sein und trotzdem sehr klein erscheinen, wenn es weit genug entfernt ist. Umgekehrt kann ein deutlich kleineres Objekt sehr groß wirken, wenn es uns nahe ist.
Ein gutes Beispiel sind Sonne und Mond. Die Sonne ist in Wirklichkeit etwa 400-mal größer als der Mond, aber auch ungefähr 400-mal weiter von der Erde entfernt. Deshalb erscheinen beide am Himmel nahezu gleich groß. Genau dieser besondere Größenvergleich ermöglicht totale Sonnenfinsternisse.
Die scheinbare Größe wird in der Astronomie meist als Winkel angegeben. Häufig verwendet werden Grad, Bogenminuten und Bogensekunden. Ein Vollkreis hat 360 Grad, ein Grad besteht aus 60 Bogenminuten und eine Bogenminute wiederum aus 60 Bogensekunden. Der Mond hat am Himmel einen scheinbaren Durchmesser von ungefähr einem halben Grad.
Für die Astrofotografie ist die scheinbare Größe besonders wichtig, weil sie entscheidet, ob ein Objekt vollständig ins Bildfeld passt. Große Nebel können am Himmel deutlich ausgedehnter sein als erwartet, während manche Galaxien oder planetarischen Nebel sehr klein erscheinen.
Helligkeit und Magnituden
In der Astronomie wird die Helligkeit von Himmelsobjekten häufig mit der Magnitudenskala beschrieben. Dabei gilt eine Besonderheit: Je kleiner die Magnitudenzahl, desto heller erscheint ein Objekt. Sehr helle Objekte können sogar negative Magnituden haben. Die Sonne, der Mond und helle Planeten liegen deshalb weit im negativen Bereich, während schwache Sterne deutlich höhere positive Werte besitzen.
Die scheinbare Helligkeit beschreibt, wie hell ein Objekt von der Erde aus wirkt. Sie hängt nicht nur von seiner tatsächlichen Leuchtkraft ab, sondern auch von seiner Entfernung. Ein sehr leuchtkräftiger Stern kann deshalb schwach erscheinen, wenn er weit entfernt ist. Umgekehrt kann ein vergleichsweise weniger leuchtkräftiges Objekt sehr hell wirken, wenn es uns nahe ist.
Die absolute Helligkeit beschreibt dagegen, wie hell ein Objekt erscheinen würde, wenn es sich in einer festgelegten Standardentfernung befinden würde. Dadurch lassen sich Sterne und andere Objekte besser miteinander vergleichen, unabhängig davon, wie weit sie von der Erde entfernt sind.
Für die Beobachtung ist außerdem die Grenzhelligkeit wichtig. Sie beschreibt, wie schwach ein Objekt noch sein darf, damit es unter bestimmten Bedingungen sichtbar wird. Diese Grenze hängt stark von Lichtverschmutzung, Transparenz, Seeing, verwendeter Optik und Erfahrung des Beobachters ab. Unter dunklem Himmel werden deutlich schwächere Sterne und Deep-Sky-Objekte sichtbar als in der Stadt.
Bewegung am Himmel und Himmelsmechanik
Der Nachthimmel wirkt so, als würde er sich im Laufe der Nacht von Osten nach Westen über uns hinwegdrehen. Tatsächlich entsteht diese scheinbare Bewegung durch die Rotation der Erde. Die Erde dreht sich in knapp 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Dadurch gehen Sterne, Planeten und andere Himmelsobjekte scheinbar im Osten auf, wandern über den Himmel und gehen im Westen wieder unter.
Neben der täglichen Rotation spielt auch der Umlauf der Erde um die Sonne eine wichtige Rolle. Dadurch verändert sich im Laufe des Jahres, welche Sternbilder nachts sichtbar sind. Wintersternbilder wie Orion stehen zu einer anderen Jahreszeit am Abendhimmel als Sommersternbilder wie Schwan oder Leier. Diese jahreszeitliche Veränderung ist eine direkte Folge der Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne.
Ein sogenannter siderischer Tag ist etwas kürzer als ein gewöhnlicher Sonnentag. Er beschreibt die Zeit, die die Erde benötigt, um sich relativ zu den weit entfernten Sternen einmal vollständig zu drehen. Dadurch verschieben sich die Sterne von Nacht zu Nacht leicht in ihrer Position und gehen täglich ungefähr vier Minuten früher auf. Über Wochen und Monate summiert sich dieser Effekt deutlich.
Die Ekliptik ist die scheinbare Bahn der Sonne am Himmel. Da die Planeten unseres Sonnensystems in annähernd derselben Ebene um die Sonne kreisen, befinden sich auch Mond und Planeten meist in der Nähe dieser Linie. Deshalb findet man viele planetare Begegnungen, Konjunktionen und Mondereignisse entlang der Ekliptik.
Koordinatensysteme am Himmel
Um Himmelsobjekte eindeutig zu finden, verwendet die Astronomie verschiedene Koordinatensysteme. Besonders wichtig sind das horizontale Koordinatensystem mit Höhe und Azimut sowie das äquatoriale Koordinatensystem mit Rektaszension und Deklination. Beide beschreiben die Position eines Objekts am Himmel, beziehen sich aber auf unterschiedliche Bezugssysteme.
Beim horizontalen Koordinatensystem wird die Position eines Objekts relativ zum Standort des Beobachters beschrieben. Der Azimut gibt die Richtung entlang des Horizonts an. Norden entspricht dabei 0°, Osten 90°, Süden 180° und Westen 270°. Die Höhe, auch Altitude genannt, beschreibt, wie weit ein Objekt über dem Horizont steht. 0° entspricht dem Horizont, 90° dem Zenit direkt über dem Beobachter.
Dieses System ist besonders praktisch für die direkte Beobachtung vor Ort. Es zeigt, in welcher Richtung und in welcher Höhe ein Objekt zu einem bestimmten Zeitpunkt zu finden ist. Allerdings ändern sich diese Werte ständig, weil sich die Erde dreht und sich dadurch die scheinbare Position eines Objekts im Laufe der Nacht verändert.
Das äquatoriale Koordinatensystem funktioniert anders. Es verwendet Rektaszension und Deklination. Die Deklination ist vergleichbar mit der geografischen Breite auf der Erde und gibt an, wie weit ein Objekt nördlich oder südlich des Himmelsäquators steht. Die Rektaszension entspricht in gewisser Weise der geografischen Länge und wird meist in Stunden, Minuten und Sekunden angegeben.
Zeit, Sternzeit und Beobachtungsfenster
Die Position von Himmelsobjekten verändert sich nicht nur im Laufe einer Nacht, sondern auch von Tag zu Tag und von Jahreszeit zu Jahreszeit. Das liegt daran, dass sich die Erde gleichzeitig um ihre eigene Achse dreht und um die Sonne bewegt. Dadurch verschieben sich Aufgang, Kulmination und Untergang eines Objekts im Jahresverlauf.
Ein Stern geht im Durchschnitt jeden Tag etwa vier Minuten früher auf als am Vortag. Nach einem Monat summiert sich dieser Unterschied bereits auf ungefähr zwei Stunden. Deshalb sind bestimmte Sternbilder und Deep-Sky-Objekte nur zu bestimmten Jahreszeiten besonders gut am Abendhimmel sichtbar.
Die gewöhnliche Uhrzeit basiert auf der Sonnenzeit und unserem 24-Stunden-Tag. In der Astronomie spielt zusätzlich die Sternzeit eine Rolle. Sie orientiert sich an der scheinbaren Drehung des Sternhimmels und ist besonders nützlich, um zu bestimmen, welche Rektaszension gerade den Meridian passiert und damit kulminiert.
Für die praktische Beobachtung sind vor allem drei Zeitpunkte wichtig: Aufgang, Kulmination und Untergang. Beim Aufgang erscheint ein Objekt über dem Horizont. Während der Kulmination erreicht es seine größte Höhe und steht meist unter den besten Beobachtungsbedingungen. Beim Untergang verschwindet es wieder unter dem Horizont.
Sternbilder, Jahreszeiten und Orientierung
Der Sternhimmel verändert sich im Laufe des Jahres deutlich. Ursache dafür ist der Umlauf der Erde um die Sonne. Während sich die Erde auf ihrer Bahn bewegt, blicken wir nachts in unterschiedliche Richtungen des Weltraums. Deshalb sind manche Sternbilder nur zu bestimmten Jahreszeiten besonders gut sichtbar.
Im Winter prägen zum Beispiel Orion, Stier, Zwillinge und Fuhrmann den Abendhimmel. Im Frühling treten Sternbilder wie Löwe, Jungfrau und Bärenhüter stärker in den Vordergrund. Im Sommer dominieren unter anderem Schwan, Leier und Adler, während im Herbst Pegasus, Andromeda und Fische besonders auffällig sind.
Sternbilder helfen nicht nur bei der Orientierung, sondern auch beim Auffinden von Deep-Sky-Objekten. Wer weiß, in welchem Sternbild sich ein Nebel, Sternhaufen oder eine Galaxie befindet, kann die Region am Himmel deutlich schneller einordnen.
Besonders hilfreich ist der Große Wagen. Seine beiden hinteren Kastensterne zeigen ungefähr in Richtung Polarstern. Dieser steht fast genau über dem geografischen Norden und ist deshalb einer der wichtigsten Orientierungspunkte am nördlichen Himmel. Auf der gegenüberliegenden Seite des Polarsterns liegt Kassiopeia mit ihrer markanten W-Form.
Arten von Himmelsobjekten
Am Nachthimmel begegnen uns sehr unterschiedliche Arten von Himmelsobjekten. Manche gehören zu unserem Sonnensystem, andere liegen viele Lichtjahre oder sogar Millionen Lichtjahre entfernt. Für Beobachtung und Astrofotografie ist es hilfreich, diese Objektklassen zu unterscheiden, weil sie sich in Helligkeit, Größe, Entfernung und optimaler Aufnahmetechnik deutlich unterscheiden.
Sterne sind selbstleuchtende Himmelskörper, die ihre Energie durch Kernfusion erzeugen. Sie unterscheiden sich stark in Masse, Temperatur, Farbe und Entwicklungsstadium. Helle Sterne sind schon mit bloßem Auge sichtbar, während schwächere Sterne erst im Fernglas, Teleskop oder auf lang belichteten Aufnahmen erscheinen.
Planeten leuchten nicht selbst, sondern reflektieren das Licht ihres Zentralsterns. In unserem Sonnensystem gehören Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun dazu. Für die Beobachtung sind vor allem Mars, Jupiter und Saturn besonders interessant, weil sich dort Strukturen, Wolkenbänder, Ringe oder Monde erkennen lassen.
Monde umkreisen Planeten oder Zwergplaneten. Unser Erdmond ist das auffälligste Beispiel, aber auch die galileischen Monde des Jupiter oder Titan bei Saturn sind spannende Beobachtungsziele. Viele Monde zeigen sehr unterschiedliche Oberflächen und geologische Strukturen.
Licht, Spektrum und Farben im Universum
Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung. Für unsere Augen ist nur ein kleiner Teil dieses Spektrums sichtbar. Dieser sichtbare Bereich reicht ungefähr von violettem über blaues, grünes und gelbes bis zu rotem Licht. In der Astronomie sind aber auch andere Wellenlängen interessant, zum Beispiel Infrarot, Ultraviolett, Radio- oder Röntgenstrahlung.
Die Farbe eines Sterns hängt eng mit seiner Oberflächentemperatur zusammen. Heiße Sterne wirken eher blau oder weiß, kühlere Sterne gelblich, orange oder rot. Die Farbe liefert deshalb wichtige Hinweise auf Temperatur und Entwicklungszustand eines Sterns. Unsere Sonne erscheint beispielsweise gelblich-weiß, während heiße Sterne deutlich blauer und kühlere Riesensterne rötlicher wirken können.
Ein Spektrum zerlegt das Licht eines Himmelsobjekts in seine einzelnen Wellenlängen. Darin können charakteristische Linien sichtbar werden, die verraten, welche chemischen Elemente vorhanden sind. So lässt sich aus dem Licht eines Sterns oder Nebels auf Zusammensetzung, Temperatur und teilweise sogar Bewegung schließen.
Besonders wichtig für Deep-Sky-Objekte sind sogenannte Emissionslinien. Bestimmte Gase senden bei ganz bestimmten Wellenlängen besonders viel Licht aus. Wasserstoff erzeugt beispielsweise die bekannte H-alpha-Linie im roten Bereich, während Sauerstoff unter anderem starke O-III-Linien im blaugrünen Bereich erzeugt. Genau diese Emissionslinien machen viele Nebel auf Astrofotos so eindrucksvoll.