Die Astronomie hat im Vergleich zu anderen Wissenschaften wie Physik oder Biologie einen großen Nachteil: sie kann ihre Forschungsobjekte nicht direkt untersuchen. Ein Physiker kann wiegen und abmessen; kann Dinge durch Zentrifugen jagen oder unter Strom setzen. Ein Chemiker kann Flüssigkeiten mischen, Festkörper pulverisieren und analysieren; ein Zoologe kann Tiere sezieren.
Ein Astronom kann seine Forschungsobjekte, die Sterne und Planeten, nur aus der Ferne beobachten (mit wenigen Ausnahmen die der modernen Raumfahrt zu verdanken sind). Uns bleiben nur Photonen, die wir mit unseren Instrumenten einfangen und analysieren können. Insofern ist es schon fast wieder erstaunlich, wie kreativ die Astronomen im Laufe der Zeit waren und wieviel Informationen sie aus diesen Photonen extrahieren können.
Verschärft wird die Situation noch durch die großen Entfernungen. Die Planeten in unserem Sonnensystem können wir zumindest noch tatsächlich beobachten, d.h. wir können Struktur und Details erkennen. Bei den Sternen ist das aber unmöglich. Hier gibt es quasi nur drei Parameter, die wir beobachten können. Neben der Richtung, aus der das Licht der Sterne kommt (Positionsastronomie bzw. Astrometrie) und der Qualität des Sternenlichts (Spektroskopie) ist die Messung der Helligkeit – die Photometrie – der dritte große Zweig der beobachtenden Stellarastronomie.
Man sollte meinen, zu messen wie hell etwas ist, wäre trivial und unkompliziert. Ganz so einfach ist es aber dann leider auch wieder nicht…
Eine 2000 Jahre alte Skala
Einer der ersten, der sich damit beschäftigte, wie man die Sterne anhand ihrer Helligkeit einteilen kann, war der Grieche Hipparchos von Nicäa (~190 v.Chr. bis ~120 v.Chr.) – einer der ersten wirklich wissenschaftlich arbeitenden Astronomen. Er teilte die mit freiem Auge sichtbaren Sterne in sechs Größenklassen
ein. Die hellsten Sterne am Himmel wurden als “Sterne erster Größe”
katalogisiert; diejenigen, die man gerade noch mit freiem Auge sehen
konnte als “Sterne sechster Größe”.
Dieser Einteilung von Hipparchos verdanken wir auch einige Eigenheiten unseres aktuellen Systems der Größenklassen. Denn im wesentlichen existiert die Klassifikation des alten Griechen noch heute. Die
(scheinbare oder absolute – dazu später mehr) Helligkeit eines Sterns wird immer noch in
Größenklassen bzw. Magnituden angegeben und mit “mag” oder einem hochgestellten m
gekennzeichnet. Und so wie bei Hipparch haben hellere Sterne eine kleinere Magnitude als dunklere. Ein Stern der Magnitude 1 ist also viel heller als ein Stern der Magnitude 6. Das kleinere Zahlen größere Helligkeiten bezeichnen ist für Laien oft verwirrend – aber aus historischen Gründen hat sich diese Einteilung bis heute gehalten.
Die Helligkeit war immer schon eine etwas knifflige
Messgröße. Vor der Verwendung von fotografischen Platten in der
Astronomie gab es keine objektive Möglichkeit die Helligkeit zu
bestimmen. Beobachter mussten durch freiäugige Beobachtung die
Größenklassen durch Vergleich mit Referenzsternen abschätzen. Das war natürlich unbequem und auch nicht wirklich wissenschaftlich (zumindest nach heutigen Standards). Man brauchte eine Möglichkeit, die Beobachtungen vergleichbar zu machen.
Die scheinbare Helligkeit
Um das
ganze also objektiver zu machen, wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts
eine “neue” Helligkeitskala, basierend auf der Arbeit des britischen Astronomen Norman Pogson eingeführt. Da das menschliche Auge Reize logarithmisch verarbeitet waren auch die Sternehelligkeiten des Hipparchos logarithmisch. Bis vor kurzer Zeitz dachte man, dass das Auge Reize logarithmisch verarbeitet und deswegen schlug Pogson auch vor, das als Standard beizubehalten und verwendete auch eine logarithmische Skala! (Heute beschreibet den Helligkeitseindruck mit einer Potenzfunktion). Er definierte das Verhältnis der Helligkeit eines Sterns der Größenklasse m zur Größenklasse m+1 als die fünfte Wurzel aus 100, was ungefähr 2,512 ist
Die nichtlineare Reizverabeitung bedeutet,
das bei einer Verdoppelung des Reizes (also des auf das Auge treffenden
Lichtflusses) sich die Empfindung nicht verdoppelt.
Diese seltsame, inverse logarithmische Skalen wird auch heute noch verwendet – auch wenn sie weder dem SI-System noch der Intuition entspricht 😉 Die offizielle Formel lautet:
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