Wenn man darüber nachdenkt, war es nur eine Frage der Zeit, bis das erste Teleskop erfunden wurde. Seit Jahrtausenden sind Menschen von Kristallen fasziniert. Viele Kristalle – zum Beispiel Quarz – sind vollständig transparent. Andere – Rubine – absorbieren einige Lichtfrequenzen und lassen andere durch. Das Formen von Kristallen zu Kugeln kann durch Spalten, Trommeln und Polieren erfolgen – dies entfernt scharfe Kanten und rundet die Oberfläche ab. Das Sezieren eines Kristalls beginnt mit der Suche nach einem Fehler. Das Erstellen einer Halbkugel – oder eines Kristallsegments – erzeugt zwei verschiedene Oberflächen. Licht wird von der konvexen Vorderseite gesammelt und von der ebenen Rückseite zu einem Konvergenzpunkt projiziert. Da Kristallsegmente starke Krümmungen aufweisen, kann der Fokuspunkt sehr nahe am Kristall selbst liegen. Aufgrund der kurzen Brennweiten sind Kristallsegmente bessere Mikroskope als Teleskope.
Nicht das Kristallsegment – sondern die Linse aus Glas – machte moderne Teleskope möglich. Konvexe Linsen wurden aus Glas geschliffen, um die Weitsichtigkeit zu korrigieren. Obwohl sowohl Brillen als auch Kristallsegmente konvex sind, weisen weitsichtige Gläser weniger starke Krümmungen auf. Lichtstrahlen werden nur geringfügig von der Parallelen abgelenkt. Aus diesem Grund ist der Punkt, an dem das Bild Form annimmt, viel weiter vom Objektiv entfernt. Dadurch wird ein Bildmaßstab geschaffen, der groß genug für eine detaillierte menschliche Inspektion ist.
Die erste Verwendung von Linsen zur Verbesserung der Sehkraft lässt sich bis in den Nahen Osten des 11. Jahrhunderts zurückverfolgen. Ein arabischer Text (Opticae Thesaurus, geschrieben vom Wissenschaftler und Mathematiker Al-hazen) stellt fest, dass Segmente von Kristallkugeln verwendet werden könnten, um kleine Objekte zu vergrößern. Im späten 13. Jahrhundert soll ein englischer Mönch (möglicherweise unter Bezugnahme auf Roger Bacons Perspectiva von 1267) die erste praktische Nahfokusbrille zum Lesen der Bibel geschaffen haben. Erst 1440 schleifte Nikolaus von Kues die erste Linse zur Korrektur der Kurzsichtigkeit -1. Und es sollte noch vier Jahrhunderte dauern, bis Defekte in der Linsenform selbst (Astigmatismus) durch eine Brille unterstützt würden. (Dies wurde von dem britischen Astronomen George Airy im Jahr 1827 etwa 220 Jahre nach einem anderen – der berühmtere Astronom – Johann Kepler beschrieb erstmals die Wirkung von Linsen auf das Licht genau.)
Die ersten Teleskope entstanden kurz nachdem sich das Brillenschleifen als Mittel zur Korrektur von Kurzsichtigkeit und Alterssichtigkeit etabliert hatte. Da weitsichtige Linsen konvex sind, sind sie gute „Kollektoren“ von Licht. Eine konvexe Linse nimmt parallele Strahlen aus der Ferne und beugt sie zu einem gemeinsamen Brennpunkt. So entsteht ein virtuelles Abbild im Raum – eines, das mit einer zweiten Linse genauer inspiziert werden kann. Eine Sammellinse hat zwei Vorteile: Sie kombiniert Licht (und erhöht seine Intensität) – und verstärkt den Abbildungsmaßstab – beides in einem Ausmaß, das potenziell weitaus größer ist, als das Auge allein in der Lage ist.
Konkave Linsen (zur Korrektur von Kurzsichtigkeit) streuen das Licht nach außen und lassen die Dinge für das Auge kleiner erscheinen. Eine konkave Linse kann die Brennweite des Auges erhöhen, wenn das augeneigene System (feste Hornhaut und Morphing-Linse) kein Bild auf der Netzhaut fokussieren kann. Konkave Linsen sind gute Okulare, da sie es dem Auge ermöglichen, das virtuelle Bild einer konvexen Linse genauer zu untersuchen. Dies ist möglich, weil konvergente Strahlen von einer Sammellinse durch eine Konkavlinse zur Parallelen gebrochen werden. Der Effekt besteht darin, ein nahes virtuelles Bild wie in großer Entfernung anzuzeigen. Eine einzelne konkave Linse ermöglicht es der Augenlinse, sich zu entspannen, als ob sie auf Unendlich fokussiert wäre.
Die Kombination von konvexen und konkaven Linsen war nur eine Frage der Zeit. Wir können uns das allererste Mal vorstellen, als Kinder mit der Tagesmüdigkeit des Linsenschleifers spielten – oder möglicherweise, als der Optiker sich berufen fühlte, eine Linse mit einer anderen zu überprüfen. Ein solches Erlebnis muss fast magisch erschienen sein: Ein entfernter Turm ragt sofort auf, als würde er sich am Ende eines langen Spaziergangs nähern; unkenntliche Gestalten werden plötzlich als enge Freunde gesehen; natürliche Grenzen – wie Kanäle oder Flüsse – werden übersprungen, als wären Merkurs eigene Flügel an den Fersen befestigt…
Als das Teleskop entstand, stellten sich zwei neue optische Probleme. Lichtsammellinsen erzeugen gekrümmte virtuelle Bilder. Diese Kurve ist leicht „schüsselförmig“, wobei der Boden dem Betrachter zugewandt ist. Dies ist natürlich genau das Gegenteil davon, wie das Auge selbst die Welt sieht. Denn das Auge sieht die Dinge wie auf einer großen Kugel angeordnet, deren Mittelpunkt auf der Netzhaut liegt. Also musste etwas getan werden, um die Umkreisstrahlen zurück zum Auge zu ziehen. Dieses Problem wurde in den 1650er Jahren vom Astronomen Christiaan Huygens teilweise gelöst. Er tat dies, indem er mehrere Linsen zu einer Einheit zusammenfügte. Die Verwendung von zwei Linsen brachte mehr periphere Strahlen von einer Sammellinse zur Parallelen. Das neue Okular von Huygen flachte das Bild effektiv ab und ermöglichte es dem Auge, über ein breiteres Sichtfeld zu fokussieren. Aber dieses Feld würde bei den meisten Beobachtern auch heute noch Klaustrophobie auslösen!
Das letzte Problem war hartnäckiger – brechende Linsen biegen Licht basierend auf Wellenlänge oder Frequenz. Je höher die Frequenz, desto stärker wird eine bestimmte Lichtfarbe gebeugt. Aus diesem Grund werden Objekte, die Licht verschiedener Farben (polychromatisches Licht) anzeigen, nicht im gleichen Fokus über das elektromagnetische Spektrum gesehen. Grundsätzlich verhalten sich Linsen ähnlich wie Prismen – sie erzeugen eine Farbverteilung, jede mit ihrem eigenen einzigartigen Brennpunkt.
Galileos erstes Teleskop löste nur das Problem, ein Auge nahe genug heranzubringen, um das virtuelle Bild zu vergrößern. Sein Instrument bestand aus zwei Linsen, die durch einen kontrollierten Abstand voneinander getrennt werden konnten, um den Fokus einzustellen. Die Objektivlinse hatte eine weniger strenge Krümmung, um Licht zu sammeln und es je nach Farbfrequenz zu verschiedenen Fokuspunkten zu bringen. Die kleinere Linse – die eine stärkere Kurve mit kürzerer Brennweite besitzt – ermöglichte es Galileis beobachtendem Auge, nahe genug an das Bild heranzukommen, um vergrößerte Details zu sehen.
Das Zielfernrohr von Galileo konnte jedoch nur in der Nähe der Mitte des Okular-Sichtfeldes scharf gestellt werden. Und der Fokus konnte nur auf der Grundlage der dominanten Farbe eingestellt werden, die von dem, was Galileo gerade betrachtete, emittiert oder reflektiert wurde. Galileo beobachtete normalerweise helle Studien – wie Mond, Venus und Jupiter – mit einer Blendenöffnung und war stolz darauf, auf die Idee gekommen zu sein!
Christiaan Huygens schuf das erste – Huygenian – Okular nach der Zeit von Galileo. Dieses Okular besteht aus zwei plankonvexen Linsen, die der Sammellinse zugewandt sind – nicht einer einzigen Konkavlinse. Die Brennebene der beiden Linsen liegt zwischen den Objektiv- und Augenlinsenelementen. Die Verwendung von zwei Linsen hat die Bildkrümmung abgeflacht – aber nur über ein paar Grad scheinbares Sichtfeld. Seit Huygens Zeit sind Okulare viel ausgefeilter geworden. Ausgehend von diesem ursprünglichen Konzept der Vielfalt können heutige Okulare ein weiteres halbes Dutzend optischer Elemente hinzufügen, die in Form und Position neu angeordnet sind. Amateurastronomen können jetzt Okulare von der Stange kaufen, die relativ flache Felder mit einem scheinbaren Durchmesser von mehr als 80 Grad liefern.
Das dritte Problem – das von chromatisch gefärbten Mehrfarbenbildern – wurde in der Teleskopie nicht gelöst, bis in den 1670er Jahren ein funktionierendes Spiegelteleskop von Sir Isaac Newton konstruiert und gebaut wurde. Dieses Teleskop eliminierte die Sammellinse vollständig – obwohl es immer noch die Verwendung eines feuerfesten Okulars erforderte (das viel weniger zu „Falschfarben“ beiträgt als das Objektiv).
Frühere Versuche, den Refraktor zu reparieren, bestanden indessen darin, ihn einfach länger zu machen. Zielfernrohre bis 140 Fuß Länge wurden entwickelt. Keine hatte besonders exorbitante Linsendurchmesser. Solche spindeldürren Dynasaurier erforderten einen wahrhaft abenteuerlustigen Beobachter – aber „abschwächten“ das Farbproblem.
Trotz der Eliminierung von Farbfehlern hatten auch frühe Reflektoren Probleme. Newtons Zielfernrohr verwendet einen sphärisch geschliffenen Spekulumspiegel. Im Vergleich zur Aluminiumbeschichtung moderner Reflektorspiegel ist Spekulum eine schwache Leistung. Bei ungefähr drei Viertel der Lichtsammelfähigkeit von Aluminium verliert Spekulum etwa eine Größenordnung an Lichtgriffigkeit. Damit verhielt sich das von Newton entwickelte Sechs-Zoll-Instrument eher wie ein zeitgenössisches 4-Zoll-Modell. Aber das machte Newtons Instrument nicht schwer zu verkaufen, es lieferte einfach eine sehr schlechte Bildqualität. Und das lag an der Verwendung dieses sphärisch geschliffenen Hauptspiegels.
Newtons Spiegel brachte nicht alle Lichtstrahlen auf einen gemeinsamen Fokus. Der Fehler lag nicht am Spekulum, sondern an der Form des Spiegels, der – um 360 Grad erweitert – einen vollständigen Kreis bilden würde. Ein derartiger Spiegel ist nicht in der Lage, zentrale Lichtstrahlen auf denselben Brennpunkt wie diejenigen näher am Rand zu bringen. Es dauerte bis 1740, als der Schotte John Short dieses Problem (für Licht auf der Achse) durch Parabolisierung des Spiegels korrigierte. Short hat dies auf sehr praktische Weise erreicht: Da parallele Strahlen, die näher am Zentrum eines sphärischen Spiegels liegen, Randstrahlen überschießen, warum nicht einfach das Zentrum vertiefen und zügeln?
Erst in den 1850er Jahren ersetzte Silber das Spekulum als bevorzugte Spiegeloberfläche. Natürlich hatten die mehr als 1000 von John Short hergestellten Parabolreflektoren alle Spekulumspiegel. Und Silber verliert wie Spekulum im Laufe der Zeit durch Oxidation ziemlich schnell an Reflexionsvermögen. 1930 wurden die ersten professionellen Teleskope mit haltbarerem und reflektierendem Aluminium beschichtet. Trotz dieser Verbesserung bringen kleine Reflektoren weniger Licht in den Fokus als Refraktoren vergleichbarer Öffnung.
Inzwischen haben sich auch Refraktoren entwickelt. Während John Shorts Zeit fanden Optiker etwas heraus, was Newton nicht hatte – wie man rotes und grünes Licht durch Brechung an einem gemeinsamen Brennpunkt verschmelzen lässt. Dies wurde erstmals 1725 von Chester Moor Hall durchgeführt und ein Vierteljahrhundert später von John Dolland wiederentdeckt. Hall und Dolland kombinierten zwei verschiedene Linsen – eine konvexe und eine andere konkav. Jedes bestand aus einem anderen Glastyp (Krone und Flint), der Licht unterschiedlich brach (basierend auf Brechungsindizes). Die konvexe Linse des Kronglases hat die unmittelbare Aufgabe, Licht aller Farben zu sammeln. Dadurch werden Photonen nach innen gebogen. Die negative Linse spreizte den konvergierenden Strahl leicht nach außen. Während die positive Linse ein Überschwingen des roten Lichts verursachte, verursachte die negative Linse eine Unterschwingung des Rotlichts. Rot und Grün vermischten sich und das Auge sah Gelb. Das Ergebnis war das achromatische Refraktor-Teleskop – ein heute von vielen Amateurastronomen favorisierter Typ für preiswerte, kleine Öffnungen, weites Feld, aber – bei kürzeren Öffnungsverhältnissen – weniger als ideale Abbildungsqualitäten.
Erst Mitte des 19. Jahrhunderts gelang es Optikern, Blau-Violett mit Rot und Grün im Fokus zu vereinen. Diese Entwicklung resultierte zunächst aus der Verwendung exotischer Materialien (Flourit) als Element in den Dublett-Objektiven leistungsstarker optischer Mikroskope – nicht in Teleskopen. Drei-Elemente-Teleskopkonstruktionen mit Standardglastypen – Tripletts – lösten das Problem auch etwa vierzig Jahre später (kurz vor dem zwanzigsten Jahrhundert).
Amateurastronomen können heute aus einer breiten Palette von Zielfernrohrtypen und -herstellern wählen. Es gibt keinen Raum für alle Himmel, Augen und Himmelsstudien. Probleme der Feldebenheit (insbesondere bei schnellen Newton-Teleskopen) und kräftige optische Röhren (in Verbindung mit großen Refraktoren) wurden durch neue optische Konfigurationen, die in den 1930er Jahren entwickelt wurden, angegangen. Instrumententypen – wie das SCT (Schmidt-Cassegrain-Teleskop) und MCT (Maksutov-Cassegrain-Teleskop) sowie newtonartige Schmidt- und Maksutov-Varianten und Schrägreflektoren – werden heute in den USA und weltweit hergestellt. Jeder Oszilloskoptyp wurde entwickelt, um einige gültige Bedenken in Bezug auf Oszilloskopgröße, Masse, Feldebenheit, Bildqualität, Kontrast, Kosten und Tragbarkeit zu berücksichtigen.
Inzwischen stehen Refraktoren im Mittelpunkt der Optophilen – Menschen, die unabhängig von anderen Einschränkungen die höchstmögliche Bildqualität wünschen. Vollständig apochromatische (farbkorrigierte) Refraktoren liefern einige der beeindruckendsten Bilder, die für die optische, fotografische und CCD-Bildgebung verfügbar sind. Aber leider sind solche Modelle aufgrund des deutlich höheren Materialaufwands (exotische niedrigdisperse Kristalle & Glas), der Herstellung (bis zu sechs optische Oberflächen müssen geformt werden) und der höheren Belastungsanforderungen (durch schwere Glasscheiben) auf kleinere Aperturen beschränkt ).
Die heutige Vielfalt an Zielfernrohrtypen begann mit der Entdeckung, dass zwei Linsen mit ungleicher Krümmung an das Auge gehalten werden können, um die menschliche Wahrnehmung über große Entfernungen zu transportieren. Wie viele große technologische Fortschritte entstand das moderne astronomische Teleskop aus drei grundlegenden Zutaten: Notwendigkeit, Vorstellungskraft und einem wachsenden Verständnis der Art und Weise, wie Energie und Materie interagieren.
Woher kommt das moderne astronomische Teleskop? Sicherlich durchlief das Teleskop eine lange Zeit der ständigen Verbesserung. Aber vielleicht, nur vielleicht, ist das Teleskop im Wesentlichen ein Geschenk des Universums selbst, das durch menschliche Augen, Herzen und Köpfe in tiefer Bewunderung jubelt…
-1 Es gibt Fragen, wer zuerst eine Brille entwickelt hat, die die Weit- und Kurzsichtigkeit korrigiert. Es ist unwahrscheinlich, dass Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham oder Roger Bacon jemals eine solche Linse verwendet haben. Verwirrend bei der Provenienzfrage ist die Frage, wie Brillen tatsächlich getragen wurden. Vermutlich wurde die erste Sehhilfe einfach als Monokel an das Auge gehalten – von da an übernahm die Notwendigkeit. Aber würde man solch eine primitive Methode historisch als „Ursprung des Spektakels“ bezeichnen?
-2 Die Fähigkeit eines bestimmten Okulars, ein notwendigerweise gekrümmtes virtuelles Bild zu kompensieren, wird grundsätzlich durch das effektive Öffnungsverhältnis und die Zielfernrohrarchitektur begrenzt. Somit zeigen Teleskope, deren Brennweite ein Vielfaches ihrer Öffnung beträgt, eine weniger augenblickliche Krümmung in der „Bildebene“. Zielfernrohre, die das Licht anfänglich brechen (sowohl katadiotische als auch Refraktoren), haben den Vorteil, dass sie mit außeraxialem Licht besser umgehen können. Beide Faktoren erhöhen den Krümmungsradius des projizierten Bildes und vereinfachen die Aufgabe des Okulars, dem Auge ein flaches Feld zu präsentieren.
Über den Autor:
Inspiriert vom Meisterwerk des frühen 20. Jahrhunderts: „The Sky Through Three, Four, and Five Inch Telescopes“, begann Jeff Barbour im Alter von sieben Jahren mit der Astronomie und Weltraumforschung. Derzeit widmet Jeff einen Großteil seiner Zeit der Beobachtung des Himmels und der Pflege der Website Astro.Geekjoy.
