Eine kurze Abhandlung über die Teleskope von Galilei und Kepler
Interessantes über Teleskope
Anjuschka Prenzel*
1 Die geometrische Optik und die Fernrohre
Das Thema ist langweilig? Nicht doch! Fernrohre führen uns
in die Vergangenheit und wir wollen erkunden, wie es uns möglich wurde, dass
mit Hilfe dieser genialen Vorrichtungen ein Blick in das Gedächtnis allen
Anfangs geworfen werden kann.
Der Strahlenverlauf in der geometrischen Optik wird
folgendermaßen beschrieben: Parallelstrahlen werden im optischen Glas
gebrochen, vereinigen sich im Brennpunkt und umgekehrt werden
Brennpunktstrahlen durch die Linse eines Okulars zu Parallelstrahlen.
Das Keplerschen Fernrohr entspricht diesem
Abbildungsgesetz. Beim Blick durch das Okular treffen die Parallelstrahlen auf
das Auge und erzeugen auf der Netzhaut ein vergrößertes Bild der Abbildung auf
der Brennebene.
2 Galileo Galilei und
Kepler
Für Galilei und Kepler war die Ära der Erkundung des
Himmels mittels optischer Instrumente angebrochen. Sie, deren großes Interesse
die Erforschung des Weltraums war, bekamen nun die Möglichkeit, selbst mit Hand
anlegen zu können. In Den Haag baute Lipperhey ein Fernrohr und ganz Europa war
nun endlich dazu bereit, mit diesem Instrument umzugehen. Niemand konnte es
mehr verhindern.
Und ich möchte noch vorwegnehmen, was Kepler Galilei
antwortete, als er sich mit dem „Sidereus Nuncius“ auseinandersetzte: „Und es
ist doch nicht zu erwarten, mein lieber Galilei, dass jedermann, mit deinem
Fernrohr ausgestattet, sie künftig werde beobachten können.“ Damit meinte
Kepler die vier Monde des Planeten Jupiter, welche Galilei entdeckt hatte.
Wenn Kepler wüsste, dass „jedermann“ heute die Möglichkeit
hat mit einer einfachen Kamera die Monde des Jupiters aufzunehmen, dann würde
er seine Auffassung vom Sinn des Sonnensystems korrigieren müssen.
2.1
Das Galilei-Fernrohr
Man muss es dem Galilei lassen, dass er in seinem Umfeld
die Nutzung eines solchen Instrumentes publik machte und mit Hingabe den Bau
eines Fernrohrs in die Hand nahm.
Bild 1. Das Prinzip des Galileiischen Fernrohres
Galilei war sicher voller Freude, als er mit Hilfe seines Fernrohres sah, dass Jupiter weitere „Planeten“ mit sich führte. Er entdeckte Jupiters Monde Io, Europa, Kallisto und Ganymed.
Kepler war darüber außer sich und führte darüber eine
anstrengende Debatte in seiner „Unterredung mit dem Sternenboten“, „Dissertatio
cum Nuncio sidereo“ à Galileo Galilei.
Eines muss ich doch noch dabei erwähnen, dass Kepler diese
Debatte in einer solch netten Freimütigkeit führte, die seinen wunderbaren
Charakter offenbarte.
Doch nun wollen wir uns das erste Bild anschauen. Ganz
rechts befindet sich der Glaskörper unseres Auges mit der Pupille und die vom
Okular ausgehenden parallelen Lichtstrahlen gelangen darüber auf die Netzhaut
des Auges. Das Okular ist eine Negativlinse, d.h. sie ist konkav und mit ihr
wird ein aufrechtes Bild erzeugt. Auf das Objektiv links fallen parallele
Lichtstrahlen (Geometrische Optik) und diese werden in der Konvexlinse oder
Zerstreuungslinse des Objektivs gebrochen und konvergieren in Richtung Okular. Dabei
entsteht aber kein Zwischenbild. Die Konkavlinse des Okulars erzeugt damit ein
aufrechtes Bild auf der Netzhaut des Auges.
Genauer ausgedrückt, die bildseitigen Brennpunkte beider Linsen treffen
sich vor dem Auge und erzeugen auf der Netzhaut das virtuelle Bild aus dem Unendlichen
(siehe Bild 3a).
2.2
Kepler-Fernrohr
Bei diesem Fernrohr besteht die Möglichkeit das Okular
durch Hin- und Herbewegen auf sein Auge einzustellen. Es werden wieder parallel
Lichtstrahlen angenommen, die links auf das Objektiv fallen. Es besteht aus einer
Sammel- oder Konvexlinse. Die Lichtstrahlen werden zu Brennpunktstrahlen, nach
dem Durchgang durchs Objektiv und erzeugen aber ein Zwischenbild, welches durch
ein als Lupe fungierendes Okular, eine Konvexlinse rechts, betrachtet wird
(Bild 2). Dabei werden die konvergierten Brennpunktstrahlen, die auf das Okular
treffen wieder zu Parallelstrahlen und gelangen auf die Netzhaut.
Bild 2. Astronomisches Fernrohr nach Kepler
Hierbei entsteht ein auf dem Kopf stehendes und
seitenverkehrtes Bild. Wenn ich damit in die Sterne schaue, ist es egal, wie
herum sie sind. Den Mond würde ich aber lieber mit dem Galilei-Fernrohr
betrachten.
2.3
Die Austrittspupille
Die grafische Darstellung der Teleskope von Galilei und
Kepler zeigt Bild 3. Bei Galilei entsteht eine virtuelle Austrittspupille. Der
Durchmesser des Lichtstrahlenbündels, welches das Okular in Richtung Auge
verlässt, ist abhängig vom Verhältnis des Objektivdurchmessers und seiner
Vergrößerung.
(1)
A-Austrittspupille, d-Durchmesser des
Objektivs, V-Vergrößerung des Objektivs.
Der Durchmesser der Objektivlinse ist
ausschlaggebend für die Vergrößerung V. Dabei nehmen wir einen Pupillendurchmesser des menschlichen
Auges von 5 mm an, weil Galilei nicht mehr
Also 70/60=14
Beim Kepler-Fernrohr treffen sich die Brennpunkte der
beiden Linsen bild- und objektseitig und an dieser Stelle entsteht ein
Zwischenbild, welches durch die Okular-Lupe betrachtet werden kann. Hier ist es
möglich, die Austrittspupille zu sehen, wenn wir mit dem Fernrohr einen hellen
Punkt anvisieren und durch das Okular die Lichtöffnung sehen, deren Größe uns
zeigt, wieviel Licht auf das Auge treffen kann.
Bild 3. Galilei versus Kepler: Darstellung a – Strahlenverlauf im Galilei-Fernrohr, Darstellung b – Strahlenverlauf im Kepler-Fernrohr
Literatur
Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften Band 198
Johannes Kepler Schriften zur Optik 1604-1611 Rolf Riekher, Verlag Harry
Deutsch, Frankfurt am Main 2008
Eugene Hecht Optik, Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
2018, CPI books GmbH, Leck
https://de.wikipedia.org/wiki/Fernrohr#Keplers_Beitrag_zur_Verbesserung_des_Fernrohrs
aufgerufen am 26.08.2020
http://www.afw2000.de/Elemente/2009_08B.pdf Kepler-Galilei
aufgerufen am 23.09.2020
https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Geometrische_Optik
aufgerufen am 13.10.2020
https://lp.uni-goettingen.de/get/text/954
aufgerufen am 12.11.2020
https://www.leifiphysik.de/optik/optische-linsen/ausblick/kepler-oder-astronomisches-fernrohr
aufgerufen am 12.11.2020
https://www.deutschlandfunk.de/galileis-teleskope.676.de.html?dram:article_id=26194
aufgerufen am 7.3.2021
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