Weniger Lichter mehr Sterne: Wie die Transparenz des Himmels gemessen wird

12.10.2020

Eine der wichtigsten Aktivitäten des Menschen bei seinem Aufstieg zur Kultur war die Betrachtung des Himmels, und er hat die Position und Bewegung der Sterne studiert, noch bevor er sesshaft wurde. Erfahren Sie im Detail, wie die Transparenz des Himmels gemessen und erhöht wird.

Es mussten jedoch Hunderttausende von Jahren vergehen, bis 1609 Galileo Galilei sein erstes Refraktor baute und damit begann, die Geheimnisse der hellen Objekte des Nachthimmels zu entschlüsseln; danach konvergierten Astronomie und Technologie, um zunehmend spezialisierte Instrumente zu entwickeln.

Isaac Newton entwarf und baute 1668 das erste Spiegelteleskop. Er benutzte sie unter anderem, um sein Experiment der Zerlegung des Sonnenlichts in die Farben des Regenbogens in einem geschlossenen Labor zu bestätigen. Zu dieser Zeit war es schwierig, Hohlspiegel herzustellen, so dass nur Brechungsteleskope mit immer größeren Linsen hergestellt wurden.

Je größer jedoch die Linsen des Teleskops wurden, desto komplizierter wurde die Herstellung und noch komplizierter die Bedienung. Das größte Refraktor, das je gebaut wurde, stand 1900 in Paris, hatte ein Objektiv von 1,25 Metern Durchmesser und eine Brennweite von 57 Metern; seine Handhabung war so kompliziert, dass es nur als Ausstellungsstück diente, das später wieder abgebaut wurde. Derzeit ist am Yerkes-Observatorium in Wisconsin, USA, noch ein Refraktor mit 19,4 Metern Brennweite und einer Linse von 1,02 Metern Durchmesser in Betrieb.

Mit der Entwicklung der Astronomie wurden bessere Instrumente benötigt, und auch die Idee, Spiegelteleskope herzustellen, wurde abgestaubt, da sie benutzerfreundlicher sind als Brechungsteleskope. Es war möglich, die immer größeren Spiegel zu perfektionieren. Dennoch trat eine andere Art von Schwierigkeiten bei der Beobachtung des Nachthimmels auf, die jetzt auf die Erdatmosphäre zurückzuführen ist. Als das Verhalten des Lichts und seine Eigenschaften besser verstanden wurden, suchte man nach Wegen, die Probleme zu lösen, mit denen die Astronomen bei ihren Beobachtungen konfrontiert sind.

Das Licht hat wie jede elektromagnetische Welle verschiedene Eigenschaften, die sich vor allem durch die Veränderung des Mediums seiner Ausbreitung manifestieren; je nach Medium wird das Licht reflektiert, gebrochen, gestreut, absorbiert und gebeugt; daher wird das von den Sternen kommende Licht beim Eindringen in die Erdatmosphäre von den Gasen, aus denen es zusammengesetzt ist, beeinflusst, so dass das Sternenlicht, wenn es die Teleskope erreicht, bereits einen Teil seiner Leuchtkraft, seiner Brillanz verloren und andere Veränderungen erlitten hat.

Die Erdatmosphäre und die erwähnten Eigenschaften des Lichts führen zu einer Reihe von Variablen und Parametern, die beim Bau eines astronomischen Observatoriums berücksichtigt werden müssen. Die wichtigste davon ist der Ort der Sternenbeobachtung, wobei atmosphärische Variablen wie Feuchtigkeit, Dichte, Bewölkung, Temperatur und Wind berücksichtigt werden müssen. Ebenso führt die Neigung der Rotationsachse der Erde, die die Jahreszeiten bedingt, auch zu erheblichen Klimaschwankungen, was wiederum atmosphärische Schwankungen zur Folge hat.

Die Sonne erzeugt durch die Erwärmung der Gase, aus denen sich die Atmosphäre zusammensetzt, Konvektionsbewegungen in der Luft; auf die gleiche Weise erzeugt sie durch die Erwärmung des Wassers in den Ozeanen Wasserdampf, der sich in Bewölkung verwandelt; diese Phänomene, Wind und Bewölkung, erzeugen Bewegungsmuster und Klimaschwankungen; dank dieser Wind- und Feuchtigkeitsmuster bildet sich ein als "ruhiger Gürtel" bekannter Streifen, der sich um 30 Grad nördlicher und südlicher Breite befindet und dazu dient, die am besten geeigneten Orte für den Bau astronomischer Observatorien zu finden.

Die Parameter, die durch die oben genannten Variablen erzeugt werden, sind

Transparenz des Himmels

Sie bezieht sich auf die Klarheit des Himmels und wird als die Fähigkeit gemessen, schwache Sterne entsprechend ihrer Helligkeit oder Helligkeit zu beobachten. Die Faktoren, die die Transparenz des Himmels beeinflussen, sind Wasserdampf oder Bewölkung und Schwebeteilchen wie Staub, Pollen, Industrie- und Fahrzeugabgase oder Umweltverschmutzung im Allgemeinen.

Dunkelheit

Sie bezieht sich auf die Menge an natürlichem oder künstlichem Licht, die am Beobachtungsort vorhanden ist. Es gibt zwei Arten von Faktoren, die die Dunkelheit des Beobachtungsortes beeinflussen. Natürliche Faktoren wie Sonne und Mond und künstliche Faktoren wie Lichtverschmutzung, d.h. die Menge an künstlichem Licht, die in städtischen Zentren vorhanden ist.

Aussterben

Sie bezieht sich auf die Absorption von Licht, der die Sterne, einschließlich der Sonne, des Mondes und der Planeten ausgesetzt sind, wenn sie verschiedene Medien wie Luft, Wasser usw. durchqueren oder durchlaufen. Je länger der Weg, den das Licht zurücklegt, in diesem Fall die Erdatmosphäre, desto größer ist die Abnahme des Lichts oder der Effekt auf die Farbe des Sterns; dieser Effekt auf die Farbe kann in der Sonne in der Morgendämmerung oder in der Abenddämmerung gesehen werden, das Licht der Sonne wechselt von weiß zu rot und durchläuft gelb und orange, wenn der Stern zum Horizont absinkt.

Sehen oder Verzerrung des Bildes

Bezieht sich auf die Stabilität der Luft: Je mehr Turbulenzen vorhanden sind, desto weniger stabil ist das Bild des beobachteten Objekts; das Funkeln der Sterne ist auf diesen Effekt der Erdatmosphäre zurückzuführen; außerdem ist die Bildverzerrung umso größer, je größer ein Teleskop ist. Die Faktoren, die dazu führen, dass dieser Parameter variiert oder zunimmt, sind Temperatur und Wind.

Im Falle der "Transparenz des Himmels" und der "Dunkelheit" können die Forscher wenig tun, um sie zu vermeiden. Das einzige, was man tun kann, ist, die Verabschiedung von Gesetzen zu fordern, um die Zunahme der Lichtverschmutzung zu stoppen und, wenn möglich, die Menge an umweltschädlichen Partikeln, die täglich in die Atmosphäre geworfen werden, zu reduzieren.

Es ist auch nicht möglich, das "Aussterben" des Sternenlichts beim Durchgang durch die Erdatmosphäre zu verhindern. Was die Forscher bei ihrer Arbeit jedoch tun, ist, Messungen der Helligkeit oder Helligkeit von Standardsternen (bekannte Sterne) zu erhalten, die dem untersuchten Stern nahe sind. Diese Messungen werden während der gesamten Beobachtungsnacht durchgeführt, um eine Referenz-Extinktion zu erhalten, die zum Vergleich mit den Messungen an den für die Untersuchung vorgesehenen Sternen verwendet wird, um so die erforderlichen Daten zu erhalten.

Andererseits ist zur Kompensation des Sehen auch sehr interessant, was Astronomen tun. Seit dem 19. Jahrhundert gab es bereits ein Bewusstsein für dieses Phänomen. Dennoch kamen die Vorschläge zur Lösung des Problems spät. In den 1940er Jahren wurde es als eine Lösung angesehen, Observatorien außerhalb der Erdatmosphäre einzurichten. Das Hubble-Weltraumteleskop mit einem Durchmesser von 2,4 Metern wurde zwischen den 70er und 80er Jahren konstruiert und bis 1990 in eine Umlaufbahn gebracht. Die Ergebnisse dieses Projekts waren großartig, vor allem, weil nicht nur Seeing vermieden wurde, sondern auch alle durch die Erdatmosphäre verursachten Probleme vermieden wurden. Dennoch hat es den Nachteil, dass die Wartung sehr teuer und kompliziert ist, außerdem ist die Lebensdauer der künstlichen Satelliten endlich.

Eine andere Lösung zur Lösung des Sehproblems im Falle der terrestrischen Teleskope bestand darin, die Studien und Messungen, die mit diesem Parameter durchgeführt werden, zu nutzen, so dass man an eine wissenschaftlich-technische Lösung dachte und in den 50er Jahren die "Aktive Optik" vorschlug und Jahre später die "Adaptive Optik" entstand.

Eine der Methoden zur Messung des Sehens ist als DIMM (Differential Image Motion Monitor) bekannt. Es besteht darin, die Verschiebungen, die vom Bild eines Sterns aus beobachtet werden, mit einem mittelgroßen Teleskop, aber mit zwei Okularen, die in einem Abstand von 10 bis 20 cm voneinander entfernt sind, zu erfassen und zu messen. Dieses Teleskop ist in einer gewissen Entfernung von der Sternwarte montiert und auf einen bekannten Stern gerichtet. Mehrere Messungen werden in verschiedenen Höhen (etwa zwischen zwei und zwanzig Metern) durchgeführt, da die Temperaturunterschiede, die in den Oberflächenschichten der Atmosphäre bestehen, ebenfalls zu Bildverzerrungen führen.

Eine weitere Methode, die zu diesem Zweck verwendet wird, ist SCIDAR (Scintillation Detection and Ranging), die darin besteht, die Brechungsindizes von Licht beim Eintritt in die Erdatmosphäre zu messen.

Eine dritte Methode besteht darin, als künstlichen Führer (oder Sternersatz) einen Laserstrahl zu verwenden, der, wenn er hohe, mehr oder weniger 90 Kilometer hohe Atmosphärenschichten erreicht, Natriumatome anregt und so künstlich einen "Leitstern" erzeugt, an dem die Bildverzerrung, die bei der Bewegung durch die Erdatmosphäre entstanden ist, leicht gemessen werden kann.

Die mit diesen Methoden gewonnenen Daten werden in einem Computer analysiert, der mit einem Steuersystem verbunden ist, das den Zweck hat, eine Reihe von pneumatischen Aktuatoren zu steuern, die die Form des Teleskops oder der Hauptspiegel des Teleskops, mit dem sie verbunden sind, verändern, diese Technologie wird als "Aktive Optik" bezeichnet.

Andererseits wird in der "Adaptiven Optik" auch ein Softwaresystem verwendet, das eine Reihe von kleinen Linsen, die mit einer CCD-Kamera (CCD = charged-couple device) verbunden sind, steuert und bewegt (etwa 2000 Mal pro Sekunde), um die durch kleine Luftmassen verursachte Bildverzerrung zu kompensieren und so das bestmögliche Bild zu erhalten.

Vier privilegierte Standorte auf der Erde mit den besten transparenten Himmelsbedingungen für astronomische Beobachtungen wurden gefunden: die Insel Mauna Kea, Hawaii, USA; der Vulkan Roque de los Muchachos, Kanarische Inseln, Spanien; die Atacama-Wüste, Chile und die San Pedro Martir-Bergkette, Baja California, Mexiko.

Es handelt sich um Standorte in beträchtlicher Höhe über dem Meeresspiegel, eine notwendige Bedingung, um die Entfernung zu verringern, die das Licht der Sterne zurücklegt, wenn es die Erdatmosphäre durchdringt und die Teleskope erreicht; ebenso befinden sich alle im Streifen des bereits erwähnten Ruhegürtels.

Zwei dieser Standorte sind Inseln, die anderen beiden befinden sich am Anfang von Gebirgsketten; dies ist ein weiteres und sehr wichtiges Detail, denn sobald der Wind die ersten Gebirgserhebungen erreicht, wird er abgelenkt, ohne dass er so weit reicht, dass sich Luftströmungen über dem Observatorium bilden, wie es im Landesinneren der Fall wäre. Diese Standorte sind auch weit genug von städtischen Zentren entfernt, um Lichtverschmutzung zu vermeiden.

Wie man sieht, ist es nicht einfach, die durch die Erdatmosphäre verursachten Probleme zu lösen, um einen transparenten Himmel zu haben. Es ist jedoch möglich, die Menge der Schadstoffe, die kontinuierlich in die Umwelt geworfen werden, zu reduzieren. Was hingegen die Lichtverschmutzung betrifft, so können wir die Lampen ersetzen oder so anpassen, dass sie nicht den Himmel erhellen, sondern ihre Energie auf den Boden richten. Im Bundesstaat Baja California gibt es bereits ein Gesetz gegen Lichtverschmutzung, von dem wir hoffen, dass es bald auf das ganze Land ausgedehnt wird.

Autor: Abraham Rubí Vázquez, Leiter des Fisilab und Koordinator der Konferenzen El Universo Hoy, der Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM. Quelle: Nacht der Sterne