Warum Teleskope nach Norden zeigen

Nicht das ganze Teleskop zeigt nach Norden, sondern nur seine Stundenachse, und sie tut es, weil sich der gesamte Sternhimmel um genau diese Richtung dreht. Die Erde dreht sich im Takt des Sterntags einmal um ihre Achse, das sind knapp vier Minuten weniger als ein Tag, und die Verlängerung dieser Achse trifft den Himmel nahe Polaris. Zeigt die Montierung dorthin, genügt ein einziger Motor mit gleichmäßiger Drehzahl, um jeden Stern im Okular festzuhalten. Neigt sich die Achse in eine andere Richtung, wandern die Sterne trotz laufendem Motor langsam aus dem Bild.

Zum Vergleich hilft eine Schallplatte auf dem Plattenteller. Jede Rille ist ein Kreis um die Spindel, und ein Tonabnehmer, der mit der Platte mitläuft, braucht nur eine Drehbewegung. Der Himmel funktioniert ebenso, nur steht die Spindel im Norden und lässt sich nicht greifen. Ein Dobson auf einfacher Gabel dagegen gleicht einem Tonabnehmer, der Rillen mit zwei Bewegungen gleichzeitig nachzeichnen muss, nach oben und zur Seite, und dabei ändern sich beide Geschwindigkeiten ständig. Warum das zusätzlich das Bild verdreht, zeigt der Abschnitt über die Feldrotation weiter unten. Die Frage nach dem genauen Einstellen der Achse behandelt der Beitrag zum Ausrichten eines Teleskops ohne Polarstern, hier geht es um das Warum.

Warum die Sterne Kreise um die Erdachse ziehen

Jeder Stern wirkt von der Erde aus wie an eine riesige Kugel geheftet, und diese Kugel scheint sich um die verlängerte Erdachse zu drehen. Sterne in Polnähe beschreiben winzige Kreise, Sterne am Himmelsäquator die größten. Alle Kreise liegen in parallelen Ebenen, die senkrecht zur Achse stehen, und alle werden in derselben Zeit durchlaufen. Aus diesem Grund ist eine einzige Drehachse ausreichend. Wird die Stundenachse des Teleskops parallel zur Erdachse gelegt, entspricht eine Drehung um sie genau der Bewegung der Sterne, nur in die Gegenrichtung.

In München steigt der Himmelspol 48,1 Grad über den Nordhorizont, in Hamburg 53,6 Grad, am Äquator läge er auf dem Horizont. Südlich des Äquators wandert der Blick zum Himmelssüdpol, und die Achse neigt sich dorthin. Die Neigung der Achse gegen die Waagerechte entspricht immer der geografischen Breite, die zweite Achse, die Deklinationsachse, steht rechtwinklig dazu und bewegt das Rohr nur nach Norden oder Süden. Nach dem Einstellen eines Objekts bleibt sie festgeklemmt und verändert sich während der gesamten Beobachtung nicht mehr.

Eine Besonderheit betrifft den Mond: Er wandert zusätzlich etwa 0,55 Bogensekunden pro Sekunde gegenüber den Sternen nach Osten, weil er die Erde in 27 Tagen umkreist. Bei starker Vergrößerung wandert die Kraterlandschaft deshalb mit dem Sternlauf langsam aus dem Feld, ein Motor mit Mondgeschwindigkeit korrigiert das. Planeten bewegen sich kaum anders als Sterne, und für sie genügt der normale Takt.

Wie schnell sich ein Stern wirklich bewegt

Die Winkelgeschwindigkeit des Himmels beträgt 15,04 Bogensekunden pro Sekunde, das sind 15 Grad pro Stunde. Diese Zahl gilt aber nur am Himmelsäquator. Sterne mit hoher Deklination haben kürzere Kreise zu laufen und legen am Himmel eine geringere Strecke zurück, und zwar nach dem Kosinus der Deklination. Ein Stern am Äquator braucht 239 Sekunden, um ein Grad zu überqueren, Polaris bewegt sich dagegen in einer Minute um nur 12 Bogensekunden. Wichtig ist das für den Bau von Montierungen und für das Beobachten gleichermaßen: Der Nachführmotor läuft immer im Takt des Sterntags, die Zahl 15,04 ist also fest verdrahtet, und der Stern bleibt unabhängig von seiner Deklination im Bild, weil die Achse selbst die richtige Rotation vorgibt.

Aus der Tabelle lässt sich ein Rechenweg ablesen: Mit der Deklination des Zielobjekts multipliziert der Kosinus die 15,04 Bogensekunden. Bei Wega ergibt cos 38,8 Grad den Wert 0,78, das macht 11,7 Bogensekunden pro Sekunde und 704 Bogensekunden pro Minute, also knapp zwölf Bogenminuten. Eine Brennweite von 1000 Millimetern bildet eine Bogenminute auf 0,29 Millimeter ab, die Wega wandert dort in einer Minute über 3,4 Millimeter.

Was ohne Polausrichtung mit dem Bild passiert

Bei einer azimutalen Montierung mit Höhen und Azimutachse stehen die Achsen waagerecht und senkrecht zum Boden. Ein Stern im Süden steigt dort in einer Bogenbahn auf und senkt sich wieder, das Rohr muss beide Achsen ständig neu regeln. Die Bildmitte lässt sich damit zwar festhalten, doch das Himmelsfeld dreht sich im Okular mit. Die Rate dieser Feldrotation beträgt 15,04 Bogensekunden mal Kosinus der Breite mal Kosinus des Azimuts, geteilt durch Kosinus der Höhe. Für München liefert ein Stern im Süden in 80 Grad Höhe 57,8 Bogensekunden pro Sekunde, also fast ein ganzes Grad pro Minute.

Bei einer Kamera mit APS C Sensor und 21,6 Millimetern Abstand von der Mitte zum Rand wandert ein Randstern damit 0,36 Millimeter pro Minute, bei vier Mikrometer großen Pixeln wären das 90 Pixel. Schon nach 30 Sekunden zeigen sich gekrümmte Striche am Bildrand. In 45 Grad Höhe fällt die Rate auf 14,2 Bogensekunden pro Sekunde, und in Ost oder Westrichtung verschwindet sie beinahe. Auf der Äquatorialmontierung entsteht diese Drehung nie, weil die Achse des Teleskops der Achse des Himmels folgt. Dazu passt ein einfacher Test: Ein Foto von 60 Sekunden mit Dobson zeigt Strichspuren, die sich am Rand zu Bögen krümmen. Das ist der eigentliche Grund für den Aufwand beim Einnorden und der Hauptgrund, weshalb Astrofotografen Montierungen mit Polachse bevorzugen.

Wo sich die Polausrichtung beim Beobachten auszahlt

Die Idee lässt sich auch auf einfache Geräte übertragen. Eine Äquatorialplattform trägt einen Dobson auf einem geneigten Brett und dreht ihn mit einem Winkel von 15 Grad pro Stunde zurück. Die Neigung entspricht der Breite, also 48,1 Grad in München, und das Brett läuft für rund eine Stunde, bevor es von Hand zurückgeführt werden muss. Eine Gabelmontierung erreicht mit einem Keil dieselbe Wirkung. Ein Gartenteleskop mit Steinsockel profitiert von einer festen Markierung am Boden, die Norden und Polhöhe jeden Abend ohne neues Messen wiederholbar macht.

Im Gelände entscheiden wenige Grad über die Genauigkeit. Ein Polfehler von einem Grad führt zu einer Drift von etwa einer Bogenminute in vier Minuten, und diese Zahl reicht für Planetenfotos völlig aus, für zehnminütige Belichtungen von Galaxien dagegen nicht mehr. Die Werte stammen aus der Geometrie und sind für die Entscheidung zwischen Dobson und Äquatorialmontierung ein brauchbarer Maßstab. Für Himmelsbeobachtung mit dem Fernglas auf Stativ spielt das alles keine Rolle. Eine zusätzliche Faustregel: Jede Bogenminute Polfehler lässt einen Stern in einer Stunde um höchstens eine Viertelbogenminute aus der Bildmitte laufen, was bei kurzen Brennweiten kaum auffällt. Erst Brennweiten über 1000 Millimeter machen jede Ungenauigkeit sofort bemerkbar.

• Visuell bis etwa 100fach reicht eine azimutale Montierung, die Feldrotation fällt im Okular kaum auf
• Für Fotos mit Belichtungen über 30 Sekunden zählt die Polausrichtung
• Eine Äquatorialplattform bringt Dobsons ohne Motor durch eine Stunde Beobachtung
• Montierungen mit Keil oder Neigungsplatte stellen die Achse auf die Breite des Standorts ein