Fernrohr Physik

Wenn du in den Nachthimmel schaust, kannst du viele Sterne und auch mit Glück einmal einen Planeten als leuchtende Punkte erkennen. Die Details auf dem Mond sind mit bloßem Auge auch schwer zu sehen. Nimmst du ein Fernrohr zur Hand, kannst du die Himmelskörper jedoch stark vergrößert betrachten und es ist sogar möglich, die Ringe des Saturn zu sehen! Wie genau die Optik eines Fernrohres funktioniert und welche Arten von Fernrohren es gibt, erfährst du in diesem Artikel.

Fernrohr – Aufbau

Es gibt nicht nur eine Bauweise für Fernrohre, sondern verschiedene Arten von Fernrohren. Sie haben alle ein gemeinsames Ziel: Das Vergrößern von weit entfernten Objekten. Sie machen damit wesentlich mehr Details für dich erkennbar als mit dem bloßen Auge sichtbar wären.

Wichtig ist dabei der Betrachtungswinkel: Weit entfernte Objekte haben einen kleinen Betrachtungswinkel. Indem wir den Betrachtungswinkel vergrößern, erscheint uns das Objekt entsprechend größer.

Abb. 1: Der Betrachtungswinkel hängt von der Entfernung und Größe der Objekte ab

Dabei hängt der Betrachtungswinkel auch von der Größe der Objekte ab. Bei gleicher Entfernung hat ein größeres Objekt auch einen größeren Betrachtungswinkel als ein kleineres Objekt. In Abbildung 1 ist das praktisch veranschaulicht, es gilt: ${\beta }_1>{\beta }_2>{\beta }_3$.

Fernrohre können für astronomische oder terrestrische (auf der Erde befindliche) Beobachtungen genutzt werden. Dabei unterscheiden sich die Vergrößerungsfaktoren signifikant, denn ein sichtbares, aber weit entferntes Objekt auf der Erdoberfläche, ist wesentlich näher als andere Planeten oder Sterne.

Nun weißt du, was das Ziel eines Fernrohres ist. Doch wie schaffen es Fernrohre die optische Vergrößerung des Betrachtungswinkels herbeizuführen? Schau dir das doch mal für verschiedene Fernrohre an.

Keplersches Fernrohr oder astronomisches Fernrohr?

Schon Anfang des 17. Jahrhunderts wurde das erste Teleskop entwickelt. Das Kepler-Fernrohr basiert auf zwei Sammellinsen, die hintereinander angeordnet sind.

Falls du nicht mehr genau weißt, wie sich Licht bei der Brechung an Linsen verhält haben wir einen Artikel für dich!

Aufbau des Kepler Fernrohrs

Der simple Aufbau des Kepler-Fernrohres besteht aus einer Sammellinse als Objektiv vorne am Fernrohr, das auf ein Objekt gerichtet wird und einer Sammellinse als Okular am Ende des Betrachters.

Das Licht eines weit entfernten Objektes mit dem Betrachtungswinkel $\beta$ trifft vorne auf das Objektiv und wird dort durch die Sammellinse gebrochen. Dabei werden die Lichtstrahlen gebündelt und erzeugen ein reelles Zwischenbild $B\text{'}$ in der Mitte des Fernrohrs

Je länger die Brennweite $f_1$, also der Abstand zwischen Objektiv und reellem Zwischenbild, desto größer das Zwischenbild $B\text{'}$. Die Lichtstrahlen treffen danach auf das Okular mit der Brennweite $f_2$. Von diesem werden sie parallel gebündelt und zum Auge des Betrachters weitergeleitet.

Schaust du nun in das Teleskop siehst du ein virtuelles Bild mit dem Betrachtungswinkel $\alpha$ das um das Verhältnis zwischen $\alpha$ und $\beta$ vergrößert wurde. Das virtuelle Bild steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Das Bild sieht also um 180° gedreht aus im Vergleich zum reellen Objekt.

Betrachte die untere Abbildung 2, um den Verlauf des Lichts im Kepler-Fernrohr nachzuvollziehen.

Abb. 2: Schematischer Aufbau des Kepler-Fernrohrs

Um das Fernrohr zu fokussieren, kannst du die beiden Linsen in der Entfernung verschieben bis sich die Brennpunkte der beiden Linsen am reellen Zwischenbild treffen. Die Länge des Fernrohrs ist dann die Summe der beiden Brennweiten.

Nun weißt du Bescheid, wie das Fernrohr nach Kepler funktioniert. Doch wer erfand eigentlich das Fernrohr und warum ist es nach Kepler benannt?

Kepler Fernrohr – Historische Entwicklung und Geschichte

Johannes Kepler entwickelte dieses Fernrohr mit zwei Sammellinsen und beschrieb die Bauweise dann 1611.

Seitdem wurde es oft nachgebaut.

Der Vorteil des Kepler-Fernrohrs liegt in der Einfachheit der Konstruktion. Es sind nur zwei Sammellinsen für die Optik nötig.

Nachteilhaft ist jedoch die hohe Länge des Fernrohrs, welches bei höherem Vergrößerungsfaktor immer weiter steigt. Außerdem ist das sichtbare Bild um 180° gedreht. Dies ist bei astronomischen Beobachtungen zwar kein großer Nachteil, bei Beobachtungen auf der Erde jedoch durchaus irritierend.

Du kennst nun die größten Nachteile des Kepler-Fernrohrs. Das Galilei-Fernrohr hat wesentliche Vorteile im Vergleich, was du im nächsten Abschnitt genauer kennenlernen wirst.

Galileiisches Fernrohr oder niederländisches Fernrohr

Das Galilei-Fernrohr nutzt wie das von Kepler eine Sammellinse als Objektiv. Als Okular wird aber abweichend eine Zerstreuungslinse, also eine konkave Linse, genutzt. Dadurch wird das abgebildete Objekt nicht verdreht.

Aufbau des Galilei Fernrohrs

Um den Verlauf der Lichtstrahlen durch das Galilei-Fernrohr nachzuvollziehen, schaue dir die untere Grafik an.

Das Licht eines weit entfernten Objektes mit dem Betrachtungswinkel $\beta$ trifft vorne auf das Objektiv und wird dort durch die Sammellinse gebrochen. Bevor sich die Lichtstrahlen im reellen Zwischenbild $B\text{'}$ schneiden können und damit den Brennpunkt mit der Brennweite $f_1$ des Objektives erreichen, treffen Sie auf das Okular.

Das Okular ist eine Zerstreuungslinse mit der Brennweite $f_2$, welches die Lichtstrahlen parallel bündelt und weiter zu deinem Auge beim Betrachten im Winkel $\alpha$ leitet. Du siehst das Bild dabei korrekt orientiert als virtuelles Bild im unendlichem.

Abb. 4: Schematischer Aufbau des Galilei-Fernrohrs

Um das Fernrohr zu fokussieren, musst du auch hier die beiden Brennpunkte der Linsen zum Übereinkommen im reellen Zwischenbild $B\text{'}$ bringen. Dabei variierst du den Abstand von Objektiv und Okular zueinander. Beachte, dass das reelle Zwischenbild außerhalb des Fernrohrs liegt. Es ist also nicht für den Betrachter sichtbar und nur eine Hilfe zur Berechnung.

Du kennst dich jetzt mit dem Galilei-Fernrohr aus, doch wie wurde diese Art von Fernrohr entwickelt?

Galilei Fernrohr – Historische Entwicklung und Geschichte

Das Fernrohr wurde vom holländischen Brillenmacher Hans Lipperhey im Jahr 1608 erfunden. Daher stammt auch der alternative Name des holländischen Fernrohrs. Galileo Galilei entwickelte dieses Fernrohr dann weiter.

Gegenüber dem Kepler-Fernrohr liegt der Vorteil des Galilei-Fernrohrs in seiner kompakten Bauweise. Auch vorteilhaft ist, dass dir das Bild beim Betrachten gleich richtig herum angezeigt wird. Wegen der Verwendung einer Zerstreuungslinse also Okular ist jedoch das Sichtfeld kleiner.

Heutzutage werden jedoch für astronomische Beobachtungen eher Newton-Teleskope verwendet. Über die erfährst du mehr im nächsten Abschnitt.

Newtonsches Teleskop oder Spiegelteleskop

Um kompaktere Fernrohre zu bauen, welche für astronomische Beobachtungen geeignet sind, wurden statt nur Linsen auch Spiegel genutzt. Daher auch der Name Spiegelteleskop.

Im Folgenden kannst du die Funktion eines Spiegelteleskops anhand des Newton-Teleskops nachvollziehen. Es gibt jedoch weitere Arten von Spiegelteleskopen, welche eine andere Anordnung von Spiegeln nutzen.

Aufbau des Spiegelteleskops

Du kannst den Lichtverlauf in der unteren Grafik mitverfolgen.

Die Lichtstrahlen treffen von einem weit entfernten Objekt durch die Röhre des Teleskops auf einen hinten angebrachten Objektivspiegel (auch Hauptspiegel genannt). Dieser bündelt die einfallenden Lichtstrahlen durch seine parabolische Form in der Mitte des Teleskops zusammen.

Dort wo die Lichtstrahlen zusammengeführt werden, befindet sich ein Sekundärspiegel. Dieser lenkt die gebündelten Lichtstrahlen um 90° zur Wand des Teleskops hin ab. In der Seite des Teleskops befindet sich ein Okular, welches die Strahlen so bricht, dass sie wieder parallel verlaufen und du das Objekt beobachten kannst.

Abb. 6: Aufbau eines Spiegelteleskops nach Newton

Die Vergrößerung, die sich mit dem Spiegelteleskop erreichen lässt, hängt von dem Durchmesser des Objektivspiegels und der Wellenlänge des zu beobachtenden Lichts ab. Um also eine größere Vergrößerung zu erreichen, musst du den Spiegeldurchmesser erhöhen.

Wann wurden Spiegelteleskope entdeckt und was hat das mit dem berühmten Physiker Newton zu tun? Das kannst du im nächsten Abschnitt lesen.

Newton Teleskop – Historische Entwicklung und Geschichte

Schon 1616, acht Jahre nach der Erfindung des niederländischen Fernrohrs baute der Jesuitenpater Nicolaus Zucchius das erste Spiegelteleskop. In den Jahren danach beschäftigten sich verschiedene Naturwissenschaftler mit der Verbesserung des Spiegelteleskops.

Zwischen 1668 und 1672 entwickelte Isaac Newton, der bekannte englische Naturwissenschaftler, die oben gezeigte Bauart des Spiegeltelekops. Durch den einfachen Aufbau inspirierte er die Konstruktion vieler weiterer Spiegelteleskope mit immer größeren Spiegeldurchmessern.

Die Vorteile des Spiegelteleskops waren seine kompakte Bauweise und damit hohe erreichbare Vergrößerung. Doch die Fertigung von optisch einwandfreien Spiegeln mit hohen Durchmessern erwies sich als schwierig. Und ab einem Durchmesser von etwa 1,2 Metern zerbricht ein Glasspiegel an seinem Eigengewicht!

Selbst heute werden Spiegelteleskope zu astronomischen Beobachtungen genutzt. Dabei sind die Spiegel meist aus mehreren kleinen Spiegeln zusammengesetzt und erreichen Durchmesser von über 10 Meter.

Fernrohr - Praktische Aspekte

Nun hast du die theoretische Bauweise von verschiedenen Fernrohren kennen gelernt. Doch in der Praxis sieht die Beobachtung mit Fernrohren komplexer aus, denn es gibt einige Faktoren die du zusätzlich beachten musst.

Vergrößerungsangaben

Wenn du mal ein Fernglas kaufen möchtest, solltest du dir Gedanken machen, was du damit beobachten willst. Denn für das Beobachten von Vögeln ist eine viel geringere Vergrößerung nötig als für das Betrachten von Planeten.

Bei Ferngläsern gibt es meist Angaben mit zwei Zahlen. Diese geben dir eine grundlegende Information über die Eigenschaften des Fernglases. Die erste Zahl zeigt die Vergrößerung. So erscheint ein Objekt bei einer Vergrößerung von 2 doppelt so groß. Die zweite Zahl symbolisiert den Durchmesser des Objektivs in Millimetern. Bei einem höheren Durchmesser fällt mehr Licht ein und du kannst einen größeren Bildausschnitt beobachten.

Nun weißt du, was du für ein Fernglas in der Hand hast, doch was musst du bei der Benutzung beachten?

Störfaktoren bei der Beobachtung mit einem Fernrohr

Wenn du schon einmal ein Fernrohr in der Hand hattest, weißt du, dass es nicht einfach ist, ein gutes Bild zu bekommen. Denn bei der Betrachtung von weit entfernten Objekten oder Himmelskörpern gibt es eine Reihe an Störfaktoren, die für eine schlechte Abbildung sorgen. Die schauen wir uns kurz einmal an:

Optik

Die Optik (Spiegel oder Linsen) in einem Fernglas sollte so fehlerfrei und perfekt sein wie möglich. Denn jeglicher Fehler hier verstärkt sich bis zum Beobachter durch die restliche Optik und sorgt für Abbildungsfehler.

Stabilität der Fernrohrhalterung

Die Stabilität der Fernrohrhalterung spielt auch eine essenzielle Rolle bei der Bildqualität, denn jegliche Erschütterung wirkt bei großem Vergrößerungsfaktor vielfach. Auch das Ausrichten per Hand ist beispielweise bei astronomischen Beobachtungen zu ungenau. Hier werden Stellmotoren eingesetzt, die das Teleskop genau bewegen können.

Luftunruhe

Luftunruhe entsteht durch aufsteigende warme Luft. Das hast du vielleicht schon mal auf einer heißen Straße beobachtet, wenn die Luft über der Oberfläche wellig erscheint. Dieser Effekt kann das Bild in deinem Fernglas verzerren.

Wolken und Luftverschmutzung

Wenn der Himmel nicht klar ist, kannst du auch keine Sterne beobachten - das ist logisch. Doch selbst die Luftverschmutzung in der Atmosphäre reicht bei sensiblen Teleskopen aus, um astronomische Beobachtungen zu erschweren. Deshalb sind moderne Riesenteleskope oft in Bergregionen angesiedelt, wo die Atmosphäre dünner ist.