Die Aberration des Lichts (von lat. aberratio „Ablenkung“) bezeichnet in der Astronomie eine kleine Ortsveränderung der scheinbaren Position aller Gestirne bei seitlicher Bewegung des Beobachters, verursacht durch die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit. Ihre theoretische Erklärung war von großer Bedeutung in der historischen Debatte um das Wellen- bzw. Korpuskelbild des Lichts sowie in der Geschichte der speziellen Relativitätstheorie.

Arten der Aberration Dieser auch als stellare Aberration bezeichnete Effekt beeinflusst die Sternörter auf dreifache Weise:

Jährliche Aberration: Der größte jährliche Aberrationswinkel wird erreicht, wenn sich die Erde genau rechtwinklig zur Richtung des vom Stern kommenden Lichtstrahls bewegt. Wenn sie sich dem Stern nähert oder von ihm entfernt, ist der Aberrationswinkel kleiner. Daher beschreibt jeder Stern jährlich gegenüber dem Himmels-Koordinatensystem eine kleine Ellipse mit ca. 41″ Durchmesser, die bei Sternen senkrecht oberhalb oder unterhalb der Erdbahn (siehe Ekliptik) zu einem Kreis wird. Ihr mittlerer Radius von genau 20,49552″ heißt Aberrationskonstante und ist von großer Bedeutung für das Fundamentalsystem der Astronomie (siehe auch Simon Newcomb). Die tägliche Aberration infolge der Erdrotation ist ebenfalls festzustellen, sie beträgt aber selbst am Äquator nur etwa 1,6 Prozent der jährlichen Aberration. Für einen Stern im Meridian beträgt sie je nach Breitengrad B des Standorts 0,32″·cos B und verschiebt den scheinbaren Sternort um diesen Betrag nach Osten. Die säkulare Aberration aufgrund der Bewegung des Sonnensystems innerhalb der Milchstraße ist viel größer, aber nur insoweit beobachtbar, als sich die Bewegung ändert: Die Beschleunigung des Sonnensystems im galaktischen Gravitationsfeld bewirkt eine Änderung der scheinbaren Position entfernter Quasare. Dieses Phänomen konnte mit Gaia erstmals nachgewiesen und die Beschleunigung auf (7 ± 0,5) (mm/s)/Jahr bestimmt werden.Jo Bovy: A purely acceleration-based measurement of the fundamental Galactic parameters using Gaia EDR3. 3. Dez. 2020, arXiv:2012.02169 (englisch). Zum Vergleich: Die Bewegung um das Galaktische Zentrum erfolgt mit knapp 250 km/s.GRAVITY Collaboration: A geometric distance measurement to the Galactic center black hole with 0.3% uncertainty. Astronomie & Astrophysics 625, 2019, doi:10.1051/0004-6361/201935656 (englisch).

Daneben gibt es auch eine planetare Aberration. Dabei handelt es sich um den Fall, dass Position und Geschwindigkeit des gemessenen Himmelskörpers während der Emission des Lichtes genau bekannt sind, wie bei den Planeten des Sonnensystems. Dadurch kann aus dem Aberrationswinkel und Laufzeitkorrekturen die Position des Planeten zu dem Zeitpunkt berechnet werden, zu dem das Licht beim Beobachter eintrifft.

Erklärung Allgemeine Aberration mini|300px|Bewegt sich der Beobachter (links) oder der beobachtete Stern (rechts), so muss das Fernrohr leicht gekippt werden, damit der Lichtstrahl die Objektiv-Mitte und später das Okular trifft (Kippwinkel in der Skizze stark übertrieben).

Der Unterschied der Ausbreitungsrichtung von Licht in unterschiedlichen Inertialsystemen wird am einfachsten mit der Teilchentheorie des Lichts erklärt. Die Zusammenhänge sind hier ähnlich wie bei einem bewegten Beobachter, der die Richtung der auf ihn einprasselnden Regentropfen bestimmen will.

Es sei ein Inertialsystem gegeben, in dem ein Lichtstrahl senkrecht von einer Lichtquelle ausgeht. (Die Lichtquelle wird aus Gründen der Anschaulichkeit vorerst als in diesem System ruhend angenommen, was den Umständen bei einer Lichtuhr oder dem senkrechten Arm eines Michelson-Interferometers entspricht.) Würde zusätzlich ein Fernrohr im selben Inertialsystem ruhen, müsste man es exakt in die Lotrichtung bringen, um damit die Lichtquelle zu beobachten. Hingegen für den Fall, dass sich das Fernrohr mit einer Geschwindigkeit bewegt, muss es in Bewegungsrichtung gekippt werden, um den Lichtstrahl in seiner Mitte zu halten (Bild links), denn das Licht benötigt eine gewisse Zeit, um das Fernrohr zu durchlaufen. Hingegen entsteht im Inertialsystem des Beobachters beim Fernrohr der Eindruck, dass die Strahlen geneigt eintreffen, und die Lichtquelle erscheint nicht in ihrer tatsächlichen Richtung, sondern um einen kleinen Aberrationswinkel in Richtung der Fernrohrbewegung verschoben (Bild rechts). Die entsprechende Aberrationsformel zur Bestimmung der relativen Winkel in zueinander bewegten Inertialsystemen wird durch Anwendung der relativistischen Geschwindigkeitsaddition abgeleitet (siehe Herleitung).

Stellare Aberration Die relativistische Aberrationsformel gilt nun generell beim Übergang von einem Inertialsystem in ein anderes, egal ob die Lichtquelle in irgendeinem dieser Systeme ruht oder nicht. Beispielsweise bei astronomischen Beobachtungen handelt es sich bei den Lichtquellen um Sterne oder Sternsysteme, deren genauer Bewegungszustand oft nicht bekannt ist. Denn aufgrund der großen Entfernung schrumpfen diese zu sehr kleinen oder überhaupt punktförmigen Objekten, deren Eigenbewegungen zu gering sind, um ihre relativen Positionen im Nachthimmel nennenswert zu verändern („Fixsterne“). Aus Sicht eines bei der Sonne ruhenden Beobachters würde das Licht eines entfernten Sternsystems also immer annähernd im gleichen Winkel einströmen. Selbst große Geschwindigkeiten innerhalb des beobachteten Sternsystems (wie beispielsweise die gegensätzlichen Bewegungen von Doppelsternen) ändern an diesem Umstand nichts, da auch hier nur diejenigen Lichtstrahlen von Bedeutung sind, die sich vom Doppelsternsystem aus geradlinig mit genau dem Winkel ausbreiten, um den Beobachter überhaupt zu erreichen. Zur Bestimmung der Richtung eines Strahls spielen also nur der relative Ort der Emission und der Ort des Empfängers eine Rolle. Deswegen ist die gelegentlich auftretende Vorstellung zu verwerfen, dass der stellare Aberrationswinkel von der tatsächlichen Eigenbewegung der Lichtquelle abhängt („aktive Aberration“). Dieser Umstand wurde bereits 1844 von Herschel und später auch von Emden (1926) und Eisner (1967) aufgezeigt.

Entscheidend ist die Orbitalgeschwindigkeit der Erde um die Sonne von ungefähr 30 km/s, womit in 6 Monaten eine maximale Geschwindigkeitsdifferenz von ungefähr 60 km/s gegeben ist. Dadurch ist der Fixsternhimmel aus Sicht der Erde als Ganzes in Bewegung. Nun ist es für den irdischen Beobachter nicht möglich, aus einer einzigen Messung zu entscheiden, ob der Strahl deshalb bei ihm geneigt eintrifft, weil ein Aberrationseffekt vorliegt, oder ob der Strahl geneigt von einem Stern abgestrahlt wurde, der im selben Inertialsystem ruht wie der Beobachter. Deshalb ist es notwendig, dass zu einem späteren Zeitpunkt eine zweite Messung durchgeführt wird, die mit der ersten Messung verglichen wird. Die so gemessene jährliche Veränderung des Aberrationswinkels entspricht (unter Vernachlässigung von geringfügigen Effekten wie der Parallaxe) dem Ergebnis der relativistischen Aberrationsformel, wobei die verwendete Geschwindigkeit nicht die Relativgeschwindigkeit zwischen Stern und Erde ist, sondern die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Inertialsystem, in dem die Erde ruht während der ersten Messung, und dem Inertialsystem, in dem sie bei der nachfolgenden Messung im Zuge der Umkreisung der Sonne ruht.

Herleitung In der klassischen Mechanik sind die Geschwindigkeitskomponenten eines Strahls in verschiedenen Inertialsystemen durch die Galilei-Transformation miteinander verknüpft. Ein Strahl, der sich in einem Inertialsystem mit ausschließlich in y-Richtung ausbreitet, erhält in einem relativ mit bewegten zweiten Inertialsystem zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung, während die Komponente in y-Richtung gleich bleibt. Die Aberrationsformel ergibt sich mit:

.

Dieses Ergebnis ist allerdings nur als Näherung gültig, denn wie Albert Einstein 1905 zeigte, muss gemäß der speziellen Relativitätstheorie die Lorentz-Transformation bzw. die relativistische Geschwindigkeitsaddition angewendet werden. Dadurch ergeben sich Geschwindigkeitskomponenten von in x-Richtung und in y-Richtung, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit des Strahls gleich bleibt. Die korrekte, relativistische Aberrationsformel für diesen Spezialfall lautet somit:

wo der Lorentzfaktor ist. Die Abweichung von der klassischen Formel ist also bei (im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit) geringen Geschwindigkeiten sehr klein. Dasselbe Ergebnis erhält man auch, wenn man berücksichtigt, dass Lichtstrahlen bzw. Photonen einen Impuls von besitzen (wobei die Energie ist). Auch hier ergibt eine Transformation in ein relativ bewegtes System eine entsprechende Änderung der Impulskomponenten gemäß der relativistischen Aberrationsformel.

Für den Fall, dass der Strahl in beiden Systemen geneigt ist, gilt die allgemeine Aberrationsformel, welche in einigen äquivalenten Varianten angegeben werden kann (die erste Variante stammt von Einstein 1905): ,

wenn der Winkel im ersten System und in einem mit bewegten System ist.

Geschichte Die Aberration wurde 1725 vom englischen Astronomen James Bradley entdeckt (und unabhängig etwas später von Eustachio Manfredi in Italien). Bradley wollte die jährliche Parallaxe des Sterns Etamin nachweisen, um endlich eine Vorstellung über die Entfernungen der Sterne zu erhalten. Er beobachtete auch, wie erwartet, eine jährliche Variation der Position um ca. 20", die aber weder ihrer Form noch ihrem jahreszeitlichen Verlauf nach durch Parallaxe zu erklären war. Auf S. 646–647 erklärt Bradley, wie eine endliche Lichtgeschwindigkeit die Sternposition so beeinflusst, dass sie im Jahresverlauf eine Ellipse beschreibt. Auf S. 653 gibt er den Wert der Lichtgeschwindigkeit an, den er aus seinen Beobachtungen ableitet. In der Diskussion der Ergebnisse mit dem Hofastronomen Edmond Halley 1728, schriftlich im Januar 1729, weist Bradley darauf hin, dass seine Methode auch die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Lichtquelle, von der Richtung und der Entfernung zeigt.

Bradley war jedoch imstande, die beobachtete Verschiebung durch eine simple Addition von zwei Geschwindigkeiten zu deuten, nämlich der Geschwindigkeit, mit der das auf den Zenit gerichtete Teleskop sich aufgrund des Umlaufs der Erde um die Sonne ständig parallel verschiebt, und der Geschwindigkeit, mit der das Licht vom Stern entlang der optischen Achse durch das Teleskop fortschreitet.

Damit war sowohl die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit als auch die Eigenbewegung der Erde bestätigt.

François Arago erweiterte 1810 den Aufbau um ein Prisma, konnte aber keine Unterschiede in der Aberration der verschiedenen Spektralfarben erkennen.

mini|250px|Links: Aberration bei ruhendem ÄtherRechts: Keine Aberration bei vollständiger Äthermitführung (schwarze Linien: Fernrohr)