Montag! Und trotz Tour-Stress habe ich zumindest kurz Zeit gefunden, eine Frage zur Astronomie zu beantworten. Diesmal geht es um die Beobachtung des Himmels: Warum können wir die Asteroiden nicht sehen, die an der Erde vorbei fliegen? Oder auch: Wie groß ist die kleinste Struktur die man mit freiem Auge am Mond beobachten kann?
Das liegt natürlich einerseits an der geringen Helligkeit der Asteroiden. Aber wie die Frage zum Mond zeigt, gibt es auch noch andere Gründe, warum auch dann nichts erkennen würde, wenn sie heller wären.
Der “Halloween”-Asteroid im Radarbild eines großen Teleskops. Mit freiem Auge sieht man nix… (Bild: NAIC-Arecibo/NSF)
Der Mond ist kaum zu übersehen. Und er ist der einzige Himmelskörper, bei dem man auch ohne optische Hilfsmittel irgendwelche Strukturen erkennen kann! Die Sterne und Planeten sind alle nur Lichtpunkte, die erst im Teleskop oder Feldstecher Details zeigen (Die Sonne ist ein Spezialfall: Unter ganz bestimmten Umständen kann man auch dort manchmal mit freiem und ungeschützte Auge Sonnenflecken sehen. Sollte man aber nur dann ausprobieren, wenn man weiß, was man tut). Wir sehen dort helle und dunkle Bereiche und haben schon vor langer Zeit alle möglichen Figuren in deren Struktur interpretiert (“Mann im Mond”). Aber: wie gut sehen wir unseren Nachbarn mit freiem Auge tatsächlich?
Dazu müssen wir uns mit dem sogenannten “Auflösungsvermögen” beschäftigen. So nennt man bei einem optischen System die Fähigkeit, zwei nebeneinander liegende Strukturen auch tatsächlich getrennt voneinander wahrzunehmen. Das ist nur dann der Fall, wenn das Auflösungsvermögen groß genug ist. Wie groß es wirklich ist, hängt einerseits von der Größe des optischen Systems ab. Also der Öffnung, durch die das Licht eintreten kann. Beim Teleskop ist das der Durchmesser von Linse oder Spiegel; beim Auge ist das der Durchmesser unserer Pupille. Andererseits spielt auch die Wellenlänge des Lichts, mit dem die Beobachtung durchgeführt wird, eine Rolle.
Neben diesen beiden grundlegenden Faktoren gibt es andere Phänomene, die das Auflösungsvermögen begrenzen. Zum Beispiel die Luftunruhen, die immer auftreten wenn wir den Himmel von der Erde aus betrachten. Die Turbulenzen und die sich bewegende Luft sorgen dafür, dass das Bild “flackert” bzw. verschmiert und unscharf wird, wenn man ein Foto mit einem Teleskop macht. Objekte, die eigentlich noch getrennt wahrnehmbar wären, sind es dadurch dann nicht mehr.
Außerdem begrenzt auch die Beugung das Auflösungsvermögen. Als “Beugung” bezeichnet man die Tatsache, das Lichtwellen an Hindernissen immer ein klein wenig abgelenkt werden. Die Beugung sorgt dafür, das Lichtwellen auch Regionen erreichen, die sie eigentlich nicht erreichen sollten; es kommt zu Interferenzen zwischen Wellen und damit zu Fehlern bei der Abbildung die dafür sorgen, dass die Objekte nicht so scharf und gut dargestellt, wie es eigentlich sein sollte.
Die Formel für das Auflösungsvermögen eines optischen Systems ist relativ einfach:
Man nimmt also die Wellenlänge der Strahlung bei der man beobachtet, teilt diese Zahl durch den Durchmesser des Spiegels seines Teleskops oder der Größe der Pupille des Auges und multipliziert das Ganze mit 1,22. Das Ergebnis ist dann aber ein Winkel. Erhält man für diese “Winkelauflösung” zum Beispiel einen Wert von 20 Grad, dann bedeutet das, dass man zwei Objekte noch getrennt voneinander wahrgenommen werden können, wenn sie vom Beobachtungspunkt aus gesehen in einem Winkel von 20 Grad liegen.
Ein Beispiel zeigt, wie das funktioniert:
Unser Auge hat eine Pupille deren Durchmesser knapp 2 Millimeter beträgt, also 0,002 Meter. Die mittlere Wellenlänge des normalen für uns sichtbaren Lichts beträgt 550 Nanometer, also 0,00000055 Meter. Setzen wir das in die Formel oben ein, bekommen wir einen Winkel von 0,0003355 Radiant. Das rechnen wir jetzt noch in die normalen Grad um (ein Radiant sind 57,3 Grad) und erhalten einen Wert von 1,15 Bogenminuten (1 Grad = 60 Bogenminuten).
Wie groß ist das jetzt im Vergleich? Nehmen wir wieder den Mond als Maßstab. Der erscheint am Himmel unter einem Winkel von 0,5 Grad, wie diese – nicht maßstabsgetreue! – Skizze zeigt!
Skizze zur Veranschaulichung des Winkeldurchmessers des Mondes (nicht maßstabsgetreu!)
0,5 Grad sind 30 Bogenminuten; wir können mit freiem Auge als noch Strukturen erkennen, die knapp ein Dreißigstel des Vollmonddurchmessers ausmachen. Wir können das ganze aber natürlich auch in Kilometer umrechnen. Wir wissen, dass der Mond ungefähr 370.000 Kilometer entfernt ist. Mit den Formeln zur Trigonometrie die man noch aus der Schule kennt, kann man jetzt ganz einfach berechnen, wie groß ein Objekt sein musss, das in einer Entfernung von 370.000 Kilometern unter einem Winkel von 1,15 Bogenminuten erscheint (man kann auch einfach den Winkel in Radiant mit der Entfernung multiplizieren).
In diesem Fall sind das 130 Kilometer. Alles was kleiner als 130 Kilometer ist, ist für uns mit freiem Auge auf dem Mond also nicht sichtbar!
Damit ist übrigens auch klar, warum selbst Asteroiden wie der Halloween-Asteroid, der kürzlich sehr nahe an der Erde vorbei geflogen ist, mit freiem Auge kein spektakulärer Anblick gewesen wäre. Selbst wenn er hell genug gewesen wäre, um überhaupt gesehen werden zu können (was nicht der Fall war), war er mit einer Größe von 600 Metern und einem Abstand von 480.000 Kilometer weit unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges.
Um ein 600 Meter großes Objekt mit freiem Auge auflösen zu können, dürfte es nicht weiter entfernt sein, als knapp 1800 Kilometer! Und das ist dann doch eine sehr knappe Distanz. So nahe kommen uns Asteroiden – zum Glück – sehr selten!
Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.
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