MKL1888:Astronomische Instrumente

Astronomische Instrumente (hierzu die Tafel „Astronomische Instrumente“). Das älteste astronomische Instrument ist jedenfalls der Gnomon (s. d.), mit welchem aus der Länge des Schattens, den eine vertikale Säule auf eine horizontale Ebene warf, die Sonnenhöhe gefunden wurde. Hatte man einmal die Mittagslinie (Richtung des kürzesten Schattens) ermittelt, so ließ sich dann an jedem Tag mit Sonnenschein die Zeit des wahren Mittags (höchsten Sonnenstands) und die Kulminationshöhe der Sonne beobachten. Besonders wichtig waren die letztern Beobachtungen zur Zeit der beiden Solstitien; aus ihnen fand man nämlich die Äquatorhöhe des Beobachtungsorts (das arithmetische Mittel aus beiden Kulminationshöhen) und die Schiefe der Ekliptik (die halbe Differenz beider Höhen). Solche Messungen hat schon der chinesische Kaiser Tschukong um 1100 v. Chr. vorgenommen, und noch im vorigen Jahrhundert bediente man sich zu diesem Zweck großer Gnomon. Die Gnomon der neuern Zeit brachte man, um eine bedeutende Höhe zu gewinnen, vielfach in Kirchen an; man versah dann die nach Süden liegende Wand oben mit einer kleinen, in einer Metallplatte befindlichen Öffnung, deren Bild auf dem Fußboden oder einer gegenüberliegenden Wand beobachtet wurde. Von solcher Art sind der von Toscanelli 1468 im Dom von Florenz, der von Danti 1576 in der Kirche des heil. Petronius zu Bologna, der von Cesaris und Reggio 1786 im Mailänder Dom errichtete Gnomon u. a. Das Anbringen einer kleinen Öffnung im obern Teil des schattenwerfenden Stabes, dessen Bild im Schatten dann statt der infolge des Halbschattens unsichern äußersten Schattengrenze in Betracht kommt, ist den Chinesen schon um 500 v. Chr. bekannt gewesen. Neben dem Gnomon wurden aber auch, besonders seitdem in der Schule von Alexandria die Astronomie sich zu so reicher Blüte entfaltete, noch andre a. I. angewandt. Bei allen handelt es sich um Messung von Winkeln. Diese kann nun entweder direkt erfolgen, wie bei unsern jetzigen, mit geteilten Kreisen ausgestatteten Instrumenten, oder indirekt, indem die zu bestimmenden Winkel in Dreiecken auftreten, deren Seiten bekannte Längen haben, aus denen sich die Winkel durch Rechnung finden lassen. Das Instrument besteht dann aus mehreren Linealen, die ein veränderliches Dreieck bilden, von dem die eine Seite mit einer Skala versehen ist. Hierher gehört das Triquetrum (s. d.), das schon Ptolemäos beschrieben und noch Kopernikus angewandt hat, sowie aus späterer Zeit der von Regiomontan vielfach gebrauchte Jakobsstab (s. d.) u. a. Obschon bei den Astronomen des Altertums derartige Instrumente mit geradliniger Teilung vorherrschend waren, so kommen bei ihnen doch auch schon Instrumente mit Kreisteilung vor. Solche Instrumente sind die Armillen oder Armillarsphären (s. d.), welche zwei aufeinander senkrecht stehende feste Kreise haben, den einen in der Ebene des Meridians, den andern parallel zum Äquator. Um den zum zweiten Kreise senkrechten (zur Weltachse parallelen) Durchmesser des ersten dreht sich ein dritter Kreis, entsprechend dem Deklinations- oder Stundenkreis am Himmel. Wenn man nun in der Ebene des dritten Kreises längs eines Radius nach einem Stern sieht, so kann man auf dem dritten Kreis, zwischen dem zweiten Kreis und dem Radius, die Deklination, auf dem zweiten Kreis aber, zwischen dem ersten und dritten, den Stundenwinkel ablesen. Das Instrument ist sonach der Vorläufer unsers heutigen Äquatorials (s. d.). Mit einem solchen Instrument haben vielleicht schon Timocharis und Aristyll um 300 v. Chr. gearbeitet, welche zuerst versuchten, die Lage der Fixsterne zum Äquator zu bestimmen. Mit größerer Gewißheit wissen wir von Eratosthenes, daß er um 220 v. Chr. zu Alexandria an Armillen von bedeutender Größe beobachtete. Wesentlich dieselbe Einrichtung hatte das Astrolabium, dessen sich Hipparch bediente, um die Lage der Sterne in Bezug auf die Ekliptik zu bestimmen, nachdem er sich überzeugt hatte, daß der Abstand von diesem Kreis (die Breite) unveränderlich bleibt, während die Entfernung vom Äquator (die Deklination) sich (infolge der Präzession) ändert. Bei dem Astrolabium lag der zweite Kreis (der Äquatorkreis) der Armillarsphäre parallel zur Ekliptik, im übrigen hatten beide Instrumente dieselbe Anordnung. Während bei diesen Instrumenten die verschiedenen Kreise einen gemeinsamen Mittelpunkt besitzen, änderte am Ausgang des Mittelalters Regiomontan bei seinem Torquetum, das ebenfalls zur Bestimmung von Länge und Breite der Gestirne diente, die Anordnung derart, daß das Instrument auch äußerlich mehr an ein Äquatorial erinnert. Um die Richtung, in welcher man einen Stern erblickt, genau zu fixieren, versah man das bewegliche Lineal, an dem man hin visierte, und das beim geteilten Kreis um den Mittelpunkt drehbar war, an jedem Ende mit einem durchbohrten kleinen Aufsatz (Visierdiopter, Absehe) und sah durch beide Öffnungen hindurch, oder man brachte auch einen innerhalb des geteilten Kreises drehbaren Kreis an und setzte auf denselben an zwei diametral entgegengesetzten Punkten solche Visiere. Statt dieser Visiere wurden auch manchmal, z. B. von Regiomontan, Nadeln angewandt, deren Spitzen die Visierrichtung markierten; im ganzen aber sind die Visiere mit Öffnungen üblich geblieben bis zur Verbindung des Fernrohrs mit den astronomischen Meßinstrumenten. Für Sonnenbeobachtungen brachte man auch im Zentrum einen kleinen Cylinder an, der seinen Schatten auf den geteilten Kreis warf, welche Einrichtung z. B. Ptolemäos bei einem in der Ebene des Meridians aufgestellten, zur Messung des Abstands der Wendekreise bestimmten Quadranten beschreibt.

Im wesentlichen dieselben Instrumente wie bei den Alexandrinern waren im Mittelalter bei den Arabern und nach dem Wiederaufblühen der Wissenschaften im Abendland im Gebrauch. Die Araber verwendeten aber auf die Ausführung und Aufstellung ihrer Instrumente vorzügliche Sorgfalt und versahen sie mit Kreisen von bedeutendem Halbmesser, auf denen die Teilung auf Metall aufgetragen war. Wegen der Schwierigkeit, größere Vollkreise herzustellen, begnügte man sich schon frühzeitig mit Viertelkreisen oder Quadranten, und es ist uns unter anderm die Beschreibung eines zur Messung von Kulminationshöhen bestimmten, an der Ostseite einer von S. nach N. gehenden vertikalen Mauer fest aufgestellten Quadranten von 5 arabischen Ellen Halbmesser von der berühmten Sternwarte von Meragah (13. Jahrh.) erhalten, aus der man ersieht, daß die Araber schon den Wert fest im Meridian aufgestellter Instrumente kannten, und daß sie als die eigentlichen Erfinder des Mauerquadranten zu betrachten sind. Als solcher wird gewöhnlich Tycho Brahe bezeichnet, welcher Instrumentenbau und astronomische Beobachtungskunst auf die höchste Stufe der Vollendung erhob, die sie vor Anwendung des Fernrohrs erreichen sollten. Unter den prachtvollen Instrumenten, die er auf seiner Sternwarte auf der Insel Hveen aufgestellt hatte, und deren Abbildungen uns in seiner „Astronomiae instauratae

[Beilage]

Astronomische Instrumente.

Fig. 1. Meridiankreis der Straßburger Sternwarte. Erbaut von Gebrüder Repsold in Hamburg, Objektiv von Merz in München. Objektivöffnung 16,2 cm, Brennweite 1,9 Meter.
a, a Träger des Instruments – b würfelförmiger Hohlkörper – c, c′ Hohlkegel – d, d′ Körper des Fernrohrs – e, g geteilte Messingkreise – f, f Mikroskope zum Ablesen der Teilstriche – h, h horizontale Hebel mit Haken i zur Unterstützung der horizontalen Drehungsachse – k Messingring zur Drehung des Fernrohrs – l, m, n Vorrichtung zum Fixieren des Fernrohrs – o Trieb mit Kette – p Sucher – q Gegengewichte

Fig. 2. Großer Refraktor der Straßburger Sternwarte. Objektiv von Merz in München, mechanischer Teil von Gebrüder Repsold in Hamburg. Objektivöffnung 48,7 cm, Brennweite 7 Meter.
a Hohlcylinder – b Stundenkreis – c eiserner Hohlkörper – d Deklinationskreis – e Okularende des Fernrohrs – f Positionskreis – g Ring zur Bewegung des Okularkopfes – h Mikroskop zum Ablesen der Kreise – i, i Spiegel und Prismen – k Petroleumlampe

Fig. 3. Altazimut der Straßburger Sternwarte. Objektiv von Merz in München, mechanischer Teil von Gebrüder Repsold in Hamburg. Durchmesser des Cylinders 84 cm, Objektivöffnung 13,3 cm, Brennweite 1,5 Meter.
a kreisrunder Pfeiler – b gußeiserner Cylinder – c oberer Cylinder – d Stahlachse – e Fernrohr – f, g Handhaben – h Kurbel z. Umlegen d. Instruments – i Niveau – k Niveaukurbel – l Niveaufernrohr – m Spiegel – n Vertikal- oder Höhenkreis – o Horizontal- oder Azimutalkreis – p, p′p′ Mikroskope zum Ablesen der Kreise – q Quecksilberhorizont – r Klappen der in dem Kessel befindlichen Petroleumlampe

Fig. 4. Heliometer der Sternwarte zu New Haven (Nordamerika). Erbaut von Gebrüder Repsold in Hamburg.
a Okular des Fernrohrs – b Mikroskop zum Ablesen der Teilungen – c geteilter Kreis und – d Mikroskop zum Ablesen desselben – e, f Petroleumlampen – g Schirm

mechanica“ (1602) erhalten sind, nimmt der Quadrans muralis sive Tichonicus die erste Stelle ein. Es ist ein aus Messing gegossener Kreisquadrant mit 5 Zoll breitem und 2 Zoll dickem Rand und 5 Ellen Halbmesser, welcher ebenso wie der Quadrant von Meragah an einer von S. nach N. gehenden Mauer befestigt war; der eine Halbmesser ging von S. nach N., der andre von dem im S. liegenden Zentrum vertikal abwärts. Der Rand war mittels Transversalen, deren Gebrauch zu diesem Zweck schon Purbach und Regiomontan gekannt haben sollen, von 10 zu 10 Sekunden geteilt. Am Rand waren zwei verschiebbare Visiere angebracht, eins für den obern, das andre für den untern Teil, durch welche der Beobachter nach einer kleinen, im Zentrum des Kreises in einer von O. nach W. gehenden Wand angebrachten Öffnung nach dem Stern sah. In dem Moment, in welchem er den Stern durch den Meridian gehen sah, gab er einem Gehilfen ein Zeichen, der die Zeit an ein paar Sekunden angebenden Uhren beobachtete. Der Unterschied der Durchgangszeiten zweier Sterne gab dann gleich die Differenz ihrer Rektaszensionen, während man am Quadranten die Kulminationshöhen ablas und daraus, durch Abziehen der Äquatorhöhe des Beobachtungsorts, die Deklination fand. Die Verwendung der Uhr zur Bestimmung der Rektaszensionsunterschiede ist schon gegen Ende des 15. Jahrh. von Walther in Nürnberg versucht worden, indessen wegen des unregelmäßigen Ganges der damaligen Uhren ohne Erfolg; in die astronomische Beobachtungskunst eingeführt worden ist sie vom Landgrafen Wilhelm IV. von Hessen, dem gute Uhren seines Gehilfen Byrg zu Gebote standen. Die Mauerquadranten, zum Teil in noch größern Dimensionen als der von Brahe, sind bis gegen Ende des vorigen Jahrhunderts im Gebrauch geblieben, nur wurden sie statt der Absehen mit einem um den Mittelpunkt drehbaren Fernrohr versehen.

Die Verbindung des Fernrohrs mit den astronomischen Meßinstrumenten bezeichnet den Anfang einer neuen Periode in der Entwickelung der letztern. Das Fernrohr wurde indessen als Meßinstrument erst brauchbar durch Einsetzung des Fadenkreuzes, d. h. zweier sich rechtwinkelig schneidender feiner Fäden, die in einer durchbrochenen Platte in die Bildebene des Objektivs eingesetzt werden, und deren Kreuzungspunkt eine genaue Einstellung auf den Stern ermöglicht. Die Anwendung von Fäden im Fernrohr, allerdings zu mikrometrischen Zwecken, ist eine Erfindung des Engländers Gascoigne, der um 1640 mittels zweier durch Schrauben verstellbarer Parallelfäden Planetendurchmesser bestimmte. An Winkelmeßinstrumenten wurde das Fernrohr erst 1667 von Azout und Picard eingeführt und zwar mit Fadenkreuz aus Seide oder Metalldraht. Die Verwendung von Spinnenfäden wurde 1755 von Fontana vorgeschlagen, aber erst in diesem Jahrhundert allgemein üblich. Flamsteed hat zuerst einen Mauerquadranten mit Fernrohr konstruieren lassen, an welchem er 1689–1719 mit Benutzung einer Pendeluhr, die inzwischen durch Huygens erfunden worden war, Kulminationshöhen beobachtete, wobei es ihm gelang, den mittlern Fehler bis auf 10 Sekunden zu vermindern, während die Fehler bei Brahe bisweilen bis zu 2 Minuten, bei Ptolemäos aber oft bis auf 10 Minuten stiegen. Englische Mechaniker, wie Graham, Sisson, Bird, Ramsden, beschäftigten sich seitdem mit der Herstellung und Vervollkommnung dieses Instruments, und an einem von Bird gefertigten Mauerquadranten von 8 engl. Fuß Halbmesser hat 1750–62 Bradley in Greenwich seine Deklinationsbestimmungen ausgeführt, die bis auf etwa 1 Sekunde genau sind. Zu Rektaszensionsbestimmungen von annähernd gleicher Genauigkeit erwiesen sich indessen diese großen Quadranten als unbrauchbar, und schon Bradleys Amtsvorgänger in Greenwich, Halley, bediente sich dazu des von Römer erfundenen Passageinstruments (s. d.) nebst Uhr. Es war nämlich nicht möglich, die schweren, nur einseitig befestigten Quadranten dauernd in der Ebene des Meridians zu erhalten. Auf die Kulminationshöhe hat dies nun keinen Einfluß, weil in der Nähe des Kulminationspunkts die Höhe sich nur ganz unmerklich ändert; wohl aber wird die Zeitbestimmung fehlerhaft. Beim Passageinstrument, bei welchem die genau von O. nach W. gerichtete Drehungsachse an beiden Enden auf festen Pfeilern ruht, ist man gegen jenen Fehler besser gesichert; da dieses Instrument aber keinen genau eingeteilten Vertikalkreis besitzt, so eignet es sich nicht zu Höhenbestimmungen. Das Einfachste wäre nun wohl gewesen, das Passageinstrument mit einem genau geteilten Vertikalkreis zu versehen, wie dies in der That Römer gethan hat; während bis dahin zwei Personen an zwei verschiedenen Instrumenten beobachteten, hätte dann eine einzige Person an demselben Instrument Deklination und Rektaszension beobachten können. Dieser Gedanke ist aber erst im Anfang dieses Jahrhunderts auf Bessels Anregung von Reichenbach mit einer den Ansprüchen der Neuzeit entsprechenden Genauigkeit wieder verwirklicht worden, und aus seinen Händen ist das Hauptinstrument der neuern Sternwarten, der Meridiankreis (s. d. und Fig. 1 der Tafel), hervorgegangen. Daß man die großen Mauerquadranten so lange beibehielt, hat seinen Hauptgrund darin, daß man Vollkreise von einigen massenbeträchtlichen Dimensionen nicht dauerhaft herzustellen und mit der erforderlichen Genauigkeit zu teilen verstand. Nachdem aber 1768 der Herzog von Chaulnes eine neue Kreisteilungsmethode bekannt gemacht, die seitdem in verschiedenen Modifikationen in Anwendung gekommen ist, wurden diese Schwierigkeiten durch englische und später auch durch deutsche Künstler überwunden. In England trat aber an die Stelle des Mauerquadranten zunächst der Mauerkreis, ein ebenfalls nur einseitig befestigter Vollkreis. Das erste derartige Instrument wurde im Auftrag Maskelynes von Troughton gefertigt und 1812 in Greenwich aufgestellt; es eignete sich aber ebenfalls nur zur Bestimmung der Deklination. Erst 1847 ließ Airy einen Meridiankreis aufstellen.

Einen wesentlichen Fortschritt bildete ferner die Erfindung des achromatischen Fernrohrs durch Dollond (um 1757). Sein Sohn und mehr noch sein Schwiegersohn Ramsden bildeten die neue Erfindung noch weiter aus. Der letztere erwarb sich durch seine mechanischen Instrumente, durch seine prachtvollen, mit größter Genauigkeit geteilten astronomischen Kreise den höchsten Ruhm. Gleichzeitig baute Short ausgezeichnete Spiegelteleskope, welche Dollonds Achromate an Lichtstärke weit übertrafen. Gegen Ende des vorigen Jahrhunderts baute William Herschel seine berühmten Spiegelteleskope, die an optischer Kraft keinen Rivalen besaßen. Die achromatischen Ferngläser vermochte man bis dahin nur in sehr kleinen Dimensionen herzustellen, weil es nicht gelang, reines, streifenfreies Flintglas zu bereiten. Fraunhofer überwand zuerst die Schwierigkeiten dieser Darstellungsweise und lieferte Achromate, die an Schärfe und optischer Kraft mit Herschels Reflektoren konkurrieren konnten, und nach seinem Tod bauten Merz und Mahler die ersten Refraktoren von 36 cm Objektivdurchmesser; gegenwärtig werden sogar noch größere Achromate von diesem berühmtesten aller optischen Institute geliefert, und in neuester Zeit haben Clark u. Söhne zu Cambridge Port in Massachusetts Refraktoren mit Objektiven bis 76 cm Durchmesser gefertigt. Unsre Abbildung (Fig. 2 der Tafel) zeigt den großen Refraktor der Straßburger Sternwarte, den größten Deutschlands. Ferner hat Foucault Versuche mit Herstellung von großen Spiegelteleskopen gemacht, deren Spiegel von Glas und auf chemischem Weg versilbert sind. Große Teleskope dieser Art sind namentlich in Frankreich (Marseille, Paris, Nizza) in Gebrauch. Da es nicht möglich ist, auf dem Kreis ganz kleine Teile, etwa Sekunden, genau anzugeben, so hat man sich verschiedener Hilfsmittel bedient, um noch Bruchteile der angegebenen kleinsten Teile ablesen zu können. Brahe wandte, wie schon erwähnt, bei seinem Mauerquadranten eine Art Transversalmaßstab an. Ein vollkommneres Instrument ist der Nonius, dessen sich auch schon Brahe bediente; in neuerer Zeit ersetzt man ihn durch Mikroskope mit verschiebbaren Fäden (vgl. Meridiankreis), die zuerst gegen Ende des vorigen Jahrhunderts von Ramsden gefertigt worden sind. Die Beobachtung der Durchgangszeiten ist ferner wesentlich verbessert worden nicht nur durch zweckmäßigere Konstruktion und sorgfältigere Aufstellung der Uhren, die ihnen Schutz gegen die Einflüsse des Wechsels der Temperatur und des Luftdrucks gewährt, sondern besonders auch durch die Einführung des elektrischen Chronographen, der für astronomische Zwecke zuerst um 1848 in Amerika von Walker und Bond in Anwendung gebracht worden ist.

Um Höhen nicht bloß im Meridian, sondern in jedem beliebigen Vertikalkreis messen zu können, muß der Höhenkreis des Instruments um eine vertikale Achse drehbar sein; sollen auch noch Horizontalwinkel (Azimute) gemessen werden, so ist noch ein Horizontalkreis erforderlich. Dieser Gedanke findet sich verwirklicht in Brahes „Quadrans maximus“, bei dem der Vertikalkreis indessen durch einen mit Visieren versehenen Quadranten ersetzt ist. Von neuern Instrumenten gehören hierher Theodolit, Universalinstrument und Altazimut (s. d. und Fig. 3 der Tafel). Ein Fernrohr, das mit einem vertikalen und einem horizontalen Kreis ausgerüstet und dem entsprechend um eine horizontale und eine vertikale Achse drehbar ist, heißt azimutal montiert.

Größere Fernrohre werden in der Regel parallaktisch montiert, d. h. so, daß sie um eine zur Äquatorebene parallele und um eine zur Weltachse parallele Achse drehbar sind, so daß eine gleichmäßige Drehung um die letztere Achse genügt, um mit ihnen einen Stern bei seiner täglichen Bewegung zu verfolgen. Solche Instrumente, Äquatoriale (s. d.) genannt, dienen hauptsächlich zur Messung des gegenseitigen Abstandes benachbarter Sterne und sind zu dem Zweck mit Mikrometern (s. d.) versehen. Ferner werden sie viel zu astrophysikalischen Beobachtungen verwendet und dann mit photographischen und spektroskopischen Apparaten ausgerüstet. Der genaueste mikrometrische Meßapparat ist das Heliometer (s. d. und Fig. 4 der Tafel), welches ein selbständiges parallaktisch montiertes Instrument bildet. Die parallaktische Aufstellung ist schon von Scheiner 1620 und später von Römer 1690 als „Machina aequatorea“ ausgeführt worden. Instrumente mit einem Kreis, welcher der Ekliptik parallel ist, und einem darauf senkrechten, entsprechend dem antiken Astrolabium, kennt die neuere Astronomie nicht. Zur Beobachtung von Winkeln in beliebigen Ebenen dient der Spiegelsextant (s. d.), der hauptsächlich zur See Verwendung findet.