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 jugendlich war. Wenn sein Fernrohr also eine 14-fache   Vergrößerung besaß, so musste er sich eine Objektivlinse von 70 mm Durchmesser schleifen und polieren.

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   



* Dipl.-Ing. Anjuschka Prenzel, Optik-Labor Dr. Prenzel, Görlitz

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