Beobachtende Astronomie

mini|250px|Das polnische 1,3-Meter-Teleskop an der chilenischen Sternwarte Las Campanas mini|28-cm-Cassegrain C11, Gabel-Montierung mit Eigenbau-Zubehör, finnische Privatsternwarte mini|Selbstbau-Newton 10 cm mit äquatorialer Hartholz-Montierung

Die beobachtende Astronomie ist jener Teilbereich der Astronomie, der die Himmelskörper anhand ihrer zur Erde kommenden Strahlungen und Teilchen untersucht. Ähnlich der sogenannten Fernerkundung, ist der Schwerpunkt der Messmethodik die elektromagnetische Strahlung weit entfernter Objekte im gesamten Bereich des Spektrums, von Radiowellen über Infrarot, sichtbares Licht und Ultraviolettstrahlung bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlung. Die Einfallsrichtung und physikalische Eigenschaften der Strahlung erlauben Rückschlüsse auf Eigenschaften der aussendenden oder Licht absorbierenden Himmelsobjekte.

So liefern genaue Messungen der Richtung Informationen über Position und Entfernung, Bewegung und Struktur der betreffenden Himmelsobjekte, während Untersuchungen des Spektrums auf die chemische Zusammensetzung, Sterntemperatur, Magnetfelder und Entfernungsänderungen zum Beobachter hinweisen. Durch Fotometer kann die Leuchtkraft von Sternen bestimmt werden, aus deren zeitlicher Veränderung ihr Gleichgewichts-Status. Zusätzlich zur elektromagnetischen Strahlung liefern die auf der Erde nachweisbaren kosmischen Teilchen weitere Informationen. Für die Zukunft verspricht der Nachweis von Gravitationswellen neuartige Beobachtungen an Himmelsobjekten wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern.

Ein zentrales Anliegen der beobachtenden Astronomie ist die Entwicklung geeigneter Instrumente und Detektoren. Die elektromagnetische Strahlung wird mit Hilfe von Teleskopen aufgefangen und fotografisch oder elektronisch aufgezeichnet. Fotometrie und digitale Astrofotografie ermöglichen die Messung der Helligkeit, Spektroskope durch Auswertung von Planeten-, Nebel- und Sternspektren wichtige Parameter der Astrophysik. Speziell an die Eigenschaften von Röntgen- oder Radiostrahlung angepasste Teleskopkonstruktionen erlauben die Untersuchung dieser Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums. Der Nachweis und die nähere Untersuchung von Teilchen und von Gravitationswellen erfordern spezielle Detektoren.

Grundlagen

Die Astronomie ist gegenüber anderen Naturwissenschaften insofern benachteiligt, als dass sie ihre Untersuchungsgegenstände nicht unter kontrollierten Bedingungen im Labor untersuchen kann. Auch eine direkte Untersuchung kommt nur für die uns nächsten Himmelsobjekte infrage, insbesondere den Mond und diejenigen Planeten und Planetenmonde, die bereits von irdischen Raumsonden besucht wurdenZu den Anfängen der Erkundung von Mond und Planeten durch amerikanische Sonden, siehe Harro Zimmer: 50 Jahre NASA. In: Sterne und Weltraum Bd. 10/2008, S. 46–59. Zu den sowjetischen Raumsonden, siehe ders.: Russlands Weg zu den Planeten. In: Sterne und Weltraum Bd. 5/2008, S. 50–63. Einen Überblick über die so gewonnenen Erkenntnisse liefert Peter Janle: Das Bild des Planetensystems im Wandel der Zeiten. Teil 2: Vom 19. Jahrhundert bis heute. In: Sterne und Weltraum Bd. 4/2006, S. 22–33. oder deren Bruchstücke gelegentlich zur Erde fallen (z. B. Mars-Meteoriten).Abschnitt 2.7 in Wolfram Winnenburg: Einführung in die Astronomie. BI Wissenschaftsverlag: Mannheim u. a. 1990, ISBN 3-411-14441-6. Zur systematischen Suche nach Meteoriten Thorsten Dambeck: Schwarze Steine im Polareis. In: Astronomie Heute 9–10/2003, S. 62–64. Die Astronomie ist daher weitgehend auf Beobachtungen angewiesen, insbesondere auf die Auswertung der elektromagnetischen Strahlung, die uns von fernen Himmelskörpern erreicht. Andrerseits bietet sie der Physik die Möglichkeit zur Erforschung von extrem energiereichen Vorgängen, die auf Erden nie möglich wäre.

In Anbetracht ihrer besonderen Situation haben die Astronomen Techniken entwickelt, mit denen sich allein aus der Beobachtung systematische Rückschlüsse auf die Eigenschaften und die Entwicklung astronomischer Objekte ziehen lassen. Typischerweise steht für jede Art von Beobachtungsobjekt eine Vielzahl sichtbarer Beispiele zur Verfügung. Anstatt beispielsweise die Entwicklung eines einzelnen Sterns über Jahrmilliarden zu verfolgen, können die Astronomen unterschiedliche Sterne in verschiedenen Entwicklungsstadien beobachten, um den Entwicklungsweg der Sterne zu erforschen. Unter Zuhilfenahme des kosmologischen Prinzips kann aus Untersuchungen an näher gelegenen Beispielobjekten auf das Verhalten entfernter Objekte geschlossen werden.Ein Beispiel für diese Art von Schluss ist die Geschichte systematischer Aufstellungen wie des Hertzsprung-Russell-Diagramms, siehe Werner Pfau: Streifzüge durch das Hertzsprung-Russell-Diagramm. Teil 1: Von der Beobachtung zur Theorie der Sterne. In: Sterne und Weltraum Bd. 6/2006, S. 32–40. Zum kosmologischen Prinzip beispielsweise Abschnitt 14.1. in Steven Weinberg: Gravitation and Cosmology. John Wiley, New York 1972, ISBN 0-471-92567-5.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Teilgebiete der Astronomie zu definieren. Die Bezeichnung „beobachtende Astronomie“ dient als Sammelbegriff für die diversen Techniken astronomischer Beobachtung. Für ihr Gegenstück, die Formulierung und Erforschung von physikalischen Modellen, durch die sich die Eigenschaften von Himmelsobjekten auf die bekannten physikalischen Gesetze zurückführen lassen, gibt es keine allgemein übliche Bezeichnung. Am ehesten kommt diese Rolle noch der theoretischen Astrophysik zu, in der diese Art von Modellbildung einen weiten Raum einnimmt, die sich allerdings zum Teil auch mit der theoretischen Grundlage astrophysikalischer Beobachtungstechniken befasst und sich damit mit der beobachtenden Astronomie überschneidet.

Werden Teilbereiche der Astronomie über die Beobachtungsobjekte definiert, so gibt es jeweils Überschneidungen mit der beobachtenden Astronomie – zur Sonnenforschung beispielsweise gehören selbstverständlich die entsprechenden spezialisierten Beobachtungsmethoden; gleiches gilt für die Planetologie, die Stellarastronomie, die Astroteilchenphysik und die weiteren thematischen Teilbereiche. Eine weitere Verbreitung als der Oberbegriff haben die Bezeichnungen für diejenigen Teilbereiche der beobachtenden Astronomie, die nach den Bereichen des elektromagnetischen Spektrums benannt sind, in denen die Beobachtungen stattfinden: Radioastronomie, Infrarotastronomie, optische Astronomie, Ultraviolettastronomie, Röntgenastronomie und Gammaastronomie.z. B. Abschnitt 1.2 in H. Karttunen, P. Kröger, H. Oja, M. Poutanen und K. J. Donner (Hg.): Astronomie. Eine Einführung. Springer, Berlin u. a. 1987, ISBN 3-540-52339-1.

Geschichte

Vor Erfindung des Teleskops

mini|Persisches Astrolabium (18. Jh.) Der Beginn der beobachtenden Astronomie ist nicht eindeutig feststellbar. Manche Höhlenmalereien vor 20.000 Jahren könnten eine Art Sternbilder zeigen. Die alten Ägypter verwendeten seit etwa 3000 v. Chr. einen Kalender, der auf Beobachtungen des Sterns Sirius beruhte. Astronomische Aufzeichnungen sind von vielen Hochkulturen bekannt, beispielsweise den Maya und den Assyrern.Vgl. James Cornell: Die ersten Astronomen. Birkhäuser: Basel u. a. 1983.

Sternhelligkeiten und einfache Instrumente zur Positionsbestimmung von Himmelsobjekten finden sich bereits bei Hipparchos von Nicäa und Ptolemaios im ersten Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung; in verfeinerter Form wurden sie im ersten nachchristlichen Jahrtausend in der arabischen Astronomie angewandt. Auf den gleichen Prinzipien beruhten die im 16. Jahrhundert von Tycho Brahe verwendeten Beobachtungsgeräte.Teil 3 (Griechen), 12 (Araber) und S. 464ff. (Brahe) in E. Zinner: Die Geschichte der Sternkunde. Springer: Berlin 1931. Mechanische Rechner, wie das Astrolabium, das seinen Weg ebenfalls von den Griechen über die arabische Astronomie in die mittelalterliche Astronomie fand, ermöglichten die Zeitbestimmung und die Voraussage von astronomischen Ereignissen, wie den Sonnenaufgang.Siehe S. 64f. in Hoskin 1997.

17. bis 19. Jahrhundert mini|links|Herschels 40-Fuß-Teleskop (1789) Beginnend mit dem ersten dokumentierten astronomischen Einsatz eines Teleskops durch Galilei im Jahre 1609, folgt die Geschichte der beobachtenden Astronomie weitgehend der Entwicklungsgeschichte immer leistungsfähigerer Teleskope. Meilensteine waren dabei beispielsweise die Entwicklung des Spiegelteleskops durch Gregory, Cassegrain und Newton und die Konstruktion immer größerer Spiegelteleskope durch Herschel im 18. Jahrhundert oder Parsons im 19. Jahrhundert, bis hin zu Hales 100-Zoll-Teleskop (1917) am Mount-Wilson-Observatorium.Galilei S. 122f., Spiegelteleskop S. 152f., Herschel’s Teleskope S. 233ff., Parsons S. 253ff. in Hoskin 1997.

Parallel zur technischen Entwicklung der Optik und Montage der Teleskope ergaben sich weitere wichtige Fortschritte: Ab dem frühen 19. Jahrhundert hielt die Spektroskopie Einzug in die beobachtende Astronomie. Bereits im Jahre 1800 verwendete Herschel ein Prisma und ein Thermometer, um die Wärmewirkung der Sonnenstrahlen nachzuweisen – den Beginn der Infrarotastronomie. Einige Jahre später entdeckten Wollaston und Fraunhofer die Spektrallinien im Sonnenspektrum. Im Jahre 1852 veröffentlichte Stokes erste Beobachtungen des ultravioletten Sonnenlichts. Mitte des 19. Jahrhunderts schlossen Bunsen und Kirchhoff aus diesen Linien auf die chemische Zusammensetzung der Sonne. Von diesem Zeitpunkt an begann die Entwicklung immer genauerer astronomischer Spektrografen.J. B. Hearnshaw: The analysis of starlight. One hundred and fifty years of astronomical spectroscopy. Cambridge Univ. Press: Cambridge u. a. 1986, ISBN 0-521-25548-1. Ab Ende des 19. Jahrhunderts gab der Einsatz fotografischer Methoden dem Fachgebiet eine neue Richtung und ermöglichte Beobachtungen von bis dahin unmöglicher Genauigkeit und Empfindlichkeit.S. 288f. in Hoskins 1997.

20. bis 21. Jahrhundert Kennzeichnend für das 20. Jahrhundert war die Einführung elektronischer Mess- und Nachweisinstrumente und die Ausweitung der systematischen Beobachtungen auf weitere Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums. Mit den Beobachtungen von Jansky und Reber begann in den 1930er Jahren die Radioastronomie, die nach Ende des Zweiten Weltkriegs, dank ausgemusterter militärischer Funk- und Radaranlagen, einen Boom erlebte. In den 1940er Jahren wurden erstmals Photomultiplier zur Helligkeitsbestimmung eingesetzt, gefolgt von ersten Versuchen der elektronischen Bilderfassung, und schließlich von den auch heute noch eingesetzten CCD-Detektoren.Radioastronomie S. 482f., Photomultiplier S. 400f., elektronische Bilderfassung S. 391 in John Lankford (Hg.): History of Astronomy. An Encyclopedia. Garland Publishing: New York und London 1997, ISBN 0-8153-0322-X.

Zur Beobachtung in Wellenlängenbereichen, die von der Erdatmosphäre herausgefiltert werden, begann der Vorstoß in den Weltraum: erstmals 1946 für Ultraviolettbeobachtungen, mit einer von den Amerikanern von den Nazi-Deutschen erbeuteten V2-Rakete, und 1949 auf dieselbe Weise mit ersten Röntgenbeobachtungen außerhalb der Atmosphäre. Ab 1970 kreiste mit Uhuru der erste Röntgensatellit um die Erde, gefolgt im Jahre 1983 von IRAS, dem ersten Infrarot-Observatorium. Mit der sowjetischen Lunik 1 erkundete 1959 erstmals eine Raumsonde einen anderen Himmelskörper, den Mond; Landungen und erste Bilder der Mondrückseite folgten im gleichen Jahr. 1962 erreichte mit Mariner 2 die erste Sonde einen anderen Planeten, die Venus; in den darauf folgenden Jahrzehnten erreichten weitere Sonden alle großen Planeten des Sonnensystems.V2-Rakete und UV: S. 533, IRAS S. 268, Uhuru S. 570, Luna-Sonden S. 335, in John Lankford (Hg.): History of Astronomy. An Encyclopedia. Garland Publishing: New York und London 1997, ISBN 0-8153-0322-X.