Orientierung am Sternenhimmel Wie finde ich Objekte am Himmel? - Max Camenzind Akademie HD - LSW Heidelberg

Orientierung am Sternenhimmel
Wie finde ich Objekte am Himmel?

                    Max Camenzind
                     Akademie HD

Übersicht
• Der Himmel rotiert nicht, sondern die Erde!
• Sterne werden an den Himmel projiziert
   4 Koordinatensysteme am Himmel:
• Horizont-System des Beobachters.
• Äquatorialsystem & Teleskop-Montierung.
• Orientierung am Fixsternhimmel mittels
  Stellarium (Planetariumsprogramm).
• Ekliptikales System für Planeten.
• Galaktische Koordinaten für Galaxien
• Was sind Sternbilder?
• Lunisolare Präzession und Epoche.

Sterne als astronomische Objekte

Sterne wandern
scheinbar auf
Kreisen am Himmel

Zirkumpolarsterne
am Südpol

Effekt der
       Erdrotation
 Der Himmel
   rotiert jedoch
       nicht!!!

Star Trails over Mauna Kea

Lange Belichtung - Was rotiert hier ?
Wie kann man die Rotation der Erde nachweisen?

Foucault-Pendel
Die Erde dreht sich

Die Erde dreht sich, nicht der Himmel
 Erst heute vor 165 Jahren gelang dem französischen
 Physiker Jean Bernard Léon Foucault der experimentelle
 Beweis. Zuerst in seinem Keller, ein paar Wochen später im
 Pariser Observatorium und schließlich im Pariser Pantheon
 ließ er ein mehrere Kilogramm schweres Pendel an einem –
 zuletzt 67 Meter – langen Faden langsam hin und her
 schwingen. Nach den Gesetzen der Physik behält ein solches
 Pendel seine Schwingungsrichtung bei. Weil sich aber die
 Erde unter dem Pendel langsam dreht, registriert der mit
 rotierende Beobachter im Laufe der Zeit eine allmähliche
 Drehung des Pendels relativ zu Markierungen am
 Erdboden. Damit hatte Foucault die Drehung der Erde
 bewiesen.

Winkelgeschwindigkeit der
Pendeldrehung an den Polen

Winkelgeschwindigkeit
an einem Breitengrad

Lange Pendel schwingen langsamer
 Pendel beschreibt Rosettenbahn

g = 9,81 m/s²
T = 20 s
@ L = 100 m

Coriolis-
Nach rechts     Kraft
abgelenkt

Nach links
abgelenkt

Die Coriolis-Kraft

Erdbahngeschwindigkeit ist am
    Äquator am größten

Steinwurf nach Köln

Bewegungsgleichung im rot. System

Der Himmel über uns

Azimut und Höhe
Position eines
Sterns wird
durch 2 Winkel
festgelegt:
                     Meridian

• Azimut A
• Höhe h
  (altitude)     E

                                S

Das Horizontsystem

                 Zwei Winkel:
                 h: Höhe
                   (altitude)
                 A: Azimut

Ausgangspunkt ist der Beobachter und sein Horizont.
Um die Position eines Himmelskörpers anzugeben,
beginnt man zuerst den Winkel vom Südpunkt aus
über Westen bis unter den Stern zu messen. Das ist
der Azimut A. Die zweite Koordinate ist einfach die
Höhe h des Gestirns über dem Horizont (gemessen in
Grad) und sie wird ganz originell Höhe genannt. Dieses
Koordinatensystem ist simpel und leicht zu verstehen –
hat aber einen entscheidenden Nachteil. Während sich
die Erde dreht, ändern sich auch Azimut und Höhe
ständig. Und wenn sich die Koordinaten eines
Himmelskörpers ständig ändern, kann das nervig sein.
Man denke nur an Sternkataloge: da will man ja
irgendwelche fixe Koordinaten angeben; Koordinaten,
die sich nicht jede Stunde ändern.

Das Horizontalsystem ist das "natürlich-intuitive"
Koordinatensystem zur Beobachtung der Sterne. Es
bildet ab, was wir unmittelbar sehen: über dem
kreisförmigen Horizont steigen Sterne auf, erreichen
einen Höhepunkt und gehen wieder unter. Der höchste
Punkt der Sternenbahn liegt genau in Südrichtung.
 Zur Definition eines (dreidimensionalen Kugel-)
Koordinatensystems braucht es einen Basiskreis auf dem
die Breitenwinkel von einem Nullpunkt aus gezählt
werden und Meridiane (Längenkreise), die den Basiskreis
rechtwinklig und die sich alle in einem Pol schneiden. Auf
den Meridianen wird der Höhenwinkel gemessen;
Nullpunkt ist der Schnittpunkt mit dem Basiskreis. Die
Höhe wird zum Zenit hin positiv, zum Nadir hin negativ
angegeben.

Der (obere) Schnittpunkt der Meridiane ist der Zenit. Er liegt
genau über dem Beobachter. Da die Meridiane (Groß-)Kreise
sind, die sich auch unterhalb des Horizonts ausdehnen,
schneiden sie sich auch unter dem Beobachter: im Nadir (aus
dem Arabischen). Die Verbindungslinie von Zenit und Nadir
(Achse) geht durch den Beobachter und den Erdmittelpunkt.

Auf den Meridianen wird vom Horizontkreis aus der Winkel
zum Zenit positiv hin (der zum Nadir negativ) angegeben. Der
Winkel heißt Höhe (h).

Auf dem Horizontkreis wird der Winkel vom Süd- oder
Mittagsmeridian aus im Uhrzeigersinn gezählt (von Süd über
West nach Nord und Ost). Der horizontale Winkel heißt
Azimut (A) oder Stundenwinkel. (Das Horizontalsystem wird
deshalb auch Azimutsystem genannt.)

Beobachten Sie den Sonnenstand vor
       der eigenen Haustür

Sonnenstands-Diagramm

                      Horizont
       ca. 115 Grad

Sonnenstands-Diagramm &
       Analemma

               Horizont

Höchsttemperatur:
Während im Juni mit dem
höchsten Sonnenstand die
stärkste Einstrahlung
herrscht, können die
Temperaturen im August
aufgrund der Meeres-
temperatur und des Wasser-
dampfgehaltes der
Atmosphäre am höchsten
sein. Da sich die drei
Einflüsse "addieren",
verschiebt sich die im Mittel
wärmste Zeit des Jahres
vom Sonnenhöchststand
nach hinten. Bei uns
typischerweise auf den
Monatswechsel Juli/August.
Auf unseren Inseln ist die
Verschiebung noch größer.
In Helgoland ist manchmal
sogar der September der
wärmste Monat des Jahres.

Das Höhe-Azimut System ungeeignet!
System ist einfach, bietet jedoch Schwierigkeiten:

        • hängt vom Ort des Beobachters auf der Erde ab
        • da die Erde rotiert, bewegen sich Sterne konstant
            am Himmel               Koordinaten verändern sich
        • Sterne gehen 24h/365 ~ 4 Minuten früher auf
                jede Nacht
          Über ein Jahr verteilt, wird der ganze Himmel sichtbar

Da die Koordinaten der Sterne sich dauernd ändern,
ist ein geeigneteres System angebracht
                        Das Äquatorial System

Himmelssphäre 2. Teil

  Fortsetzung
 am 25. Aug. 2018

Orientierung 2. Teil - Aktuell:
Was ist eine Mondfinsternis ?

Die Mondbahn – Knoten
   Die Knotenlinie dreht sich in 18,6 Jahren
(genau 6793,48 Tage) rückläufig um 360 Grad.
   Drakonistische Mondperiode ist kürzer!

Wanderung des Mondknotens

                Grafik: Wikipedia/Mondbahn

Vollmond – Halbschatten - Kernschatten

Die Mondfinsternis vom 27. Juli 2018

Mondfinsternis in Süddeutschland
mit Mars in Opposition am 27. Juli 2018

                          Der Mond steigt nicht sehr
                          hoch über den Horizont!

Verlauf einer Mondfinsternis

Verlauf der Mondfinsternis 3.3.2007

Warum „Blutmond“ ?

Lichtbrechung an Atmosphäre

Partielle
 Sonnen-
finsternis
 11. Aug.
   2018

Orientierung auf der Erdkugel
 Längen- und Breitengrade

Nordhalb-
    kugel
Breitengrade

 Südhalb-
    kugel

                     Äquator
                     Längengrade

Darstellung Erde
 in einer Ebene

Hammer-Aitov-Projektion der Erde
 stellt die gesamte Oberfläche als Ellipse dar

 Äquator

                       Nullmeridian
                       Greenwich

Die Himmelssphäre &
das Äquatorialsystem

Die Himmelskugel

Himmels-
äquator

Die Himmelskugel von außen

Himmels-
   Die       Nordpol

Himmels-
 Sphäre
   von
  außen
betrachtet
   mit
Ekliptik &
 Äquator

• Als Frühlingspunkt (auch Widderpunkt) wird in
  der Astronomie der Schnittpunkt des Himmels-
  äquators mit der Ekliptik bezeichnet, an dem die
  Sonne zum Frühlings-anfang der Nordhalbkugel
  (= Herbstanfang der Südhalbkugel) steht.
  Der zweite Schnittpunkt des Himmelsäquators mit
  der Ekliptik heißt Herbstpunkt.

Wir erkennen in der Abbildung schon die Grundlage zweier
Koordinatensysteme: das "irdische", nach dem wir unsere Position auf der
Erde festlegen (Äquatorialsystem) und ein "himmlisches" in dem wir die
Position der Fixsterne relativ zum Himmels-Äquator angeben
(Rektaszensionssystem). Die Rolle des Bezugspunktes auf dem Äquator der
Erde übernimmt der Südmeridian, über dem jeder Stern kulminiert, und
auf dem Himmelsäquator der Frühlingspunkt.

Wozu braucht man diese beiden Koordinatensysteme, wenn sie doch
weitgehend übereinstimmen? Das liegt an der "natürlichen" Zeitdefinition
aus der Beobachtung periodischer Vorgänge (Zeitunterschied zwischen
zwei Sonnenkulminationen ist der Tag, der zwischen zwei Frühlings-Tag-
und- Nacht-Gleichen ein Jahr). Man stellte wohl recht bald fest, dass ein
unabhängig (z.B. mit einer Pendeluhr) gemessener Tag im Juli etwas
weniger als 24h hat, einer im Dezember etwas mehr. Das liegt an der
eliptischen Erdbahn und wird vom 2. Keplerschen Gesetz erklärt. Die Erde
bewegt sich in der Nähe des sonnennahen Punktes ihrer Bahn eine größere
Strecke als am sonnenfernen. Konsequenterweise muss sie sich im Juli
etwas weniger weit zwischen zwei Sonnenkulminationen drehen als im
Dezember. Dem wird z.B. in der "Zeitgleichung" Rechnung getragen.

Rektaszension RA & Deklination d
Zwei Winkel:
Rektaszension
    h min sec
Deklination
    Grad min sec

Ein Stern geht
im Osten auf,
kulminiert im
Meridian und
geht im Westen
unter.
Zirkumpolar-
sterne gehen nie
unter.

In diesem Bild steht der Beobachter im Zentrum. Genau über
ihm befindet sich der Zenit (und genau unter ihm der
Gegenpunkt; der Nadir). Die Ebene in der sich der Beobachter
befindet ist der Horizont (im Bild rot gezeichnet). Den
Großkreis, der durch Zenit, Nadir, Nord- und Südpunkt verläuft
nennt man Meridian. Projiziert man den Äquator der Erde auf
die Himmelskugel, dann erhält man den Himmelsäquator
(blau). Genauso sind Himmelsnord -und Südpol die an die
Himmelskugel projizierten Pole der Erde. Der Abstand zwischen
Nordpunkt und Himmelsnordpol wird Polhöhe genannt und
entspricht der geografischen Breite des Beobachters.

Die Rektaszension RA beschreibt, wie weit im Osten oder
Westen sich ein Gestirn befindet, analog zu den irdischen
Längengraden. Längengrade (auch Meridiane) verlaufen
senkrecht zum Äquator und durch die Erdpole. Doch bei den
Längengraden gibt es keinen natürlichen Bezugspunkt - also wo
fängt man zu zählen an?

Nullpunkt im Äquatorialsystem
 Am Himmel wurde ein anderer Nullmeridian festgelegt: Er
 verläuft durch den so genannten "Frühlingspunkt", an dem
 die Sonne zu Frühlingsbeginn steht. Am 21. März um 12.00
 Uhr mittags kreuzt die Sonne auf ihrer Bahn genau in
 diesem Punkt den Himmelsäquator. Die Rektaszension gibt
 an, wie weit östlich oder westlich vom Frühlingspunkt ein
 Objekt steht. Genauer: Sie bezeichnet den Winkel α
 zwischen dem Nullmeridian und dem Meridian des Objekts.
 Man misst sie üblicherweise nicht in Graden, sondern in
 Stunden, Minuten und Sekunden - in östlicher Richtung
 (beispielsweise 3 h 12 min 24 s). Dabei entspricht der volle
 Kreis von 360 Grad genau 24 Stunden.

Der Stundenwinkel t ist der
Der Stundenwinkel t                    Winkel zwischen Himmels-

und die Sternzeit Q
                                       objekt und Meridian.

                                                            t

                      Stunden-         Sternzeit = Stundenwinkel
                      Winkel t         des Frühlingspunktes
                         Sternzeit
                          Q = RA + t
                       t = Q - RA

Zuerst sieht man wieder einmal Meridian (schwarz) und
Himmelsäquator (grün). Neu im Diagramm ist die Ekliptik
(violett) und der Frühlingspunkt. Im Äquatorialsystem gibt es
zwei Koordinaten: Rektaszension und Deklination. Will man die
Rektaszension eines Himmelskörpers angeben, dann misst man
einfach den Winkel vom Frühlingspunkt aus entlang des
Himmelsäquators bis zum Fußpunkt unter dem Stern (im Bild
blau eingezeichnet). Man gibt diesen Wert aber nicht in Grad
an, sondern in Stunden, Minuten und Sekunden (ein Kreis; also
360 Grad entspricht dabei 24 Stunden). Die Deklination ist
dann einfach die Höhe über dem Himmelsäquator, gemessen
entlang eines Großkreises durch die beiden Himmelspole und
den Stern (im Bild orange eingezeichnet). Dieses
Koordinatensystem dreht sich nun mit der Himmelskugel mit
und daher bleiben die Koordinaten der Sterne konstant und
ändern sich nicht ständig!

Das Äquatorialsystem

Stunden-
Winkel t
   Sternzeit
    Q = RA + t
 t = Q - RA     Sternzeit = Stundenwinkel des Frühlingspunktes

Sternpos im Äquatorialsystem
Koordinaten einiger Fixsterne im Rektaszensionssystem (Äquinoktium J2000)
Helligkeit Stern         RA α                     Deklination δ
3,42      Acamar         02 h 58 m 15,696 s       -40 ° 18 m 16,970 s
0,46      Achernar       01 h 37 m 42,852 s       -57 ° 14 m 12,180 s
1,58      Acrux          12 h 26 m 35,871 s       -63 ° 05 m 56,580 s
1,5       Adhara         06 h 58 m 37,548 s       -28 ° 58 m 19,500 s
0,85      Aldebaran      04 h 35 m 55,237 s       16 ° 30 m 33,390 s
1,77      Alioth         12 h 54 m 01,748 s       55 ° 57 m 35,470 s
1,86      Alkaid         13 h 47 m 32,434 s       49 ° 18 m 47,950 s
1,74      Al-na'ir       22 h 08 m 14,000 s       -46 ° 57 m 39,590 s
1,7       Alnilam        05 h 36 m 12,809 s       -01 ° 12 m 07,020 s
1,98      Alphard        09 h 27 m 35,247 s       -08 ° 39 m 31,150 s
2,23      Alphecca       15 h 34 m 41,276 s       26 ° 42 m 52,940 s
2,06      Alpheratz      00 h 08 m 23,265 s       29 ° 05 m 25,580 s
0,77      Altair         19 h 50 m 47,002 s       08 ° 52 m 06,030 s
2,39      Ankaa          00 h 26 m 17,030 s       -42 ° 18 m 21,810 s
0,96      Antares        16 h 29 m 24,439 s       -26 ° 25 m 55,150 s
-0,04     Arcturus       14 h 15 m 39,677 s       19 ° 10 m 56,710 s
1,92      Atria          16 h 48 m 39,869 s       -69 ° 01 m 39,820 s
1,86      Avior          08 h 22 m 30,833 s       -59 ° 30 m 34,510 s
1,64      Bellatrix      05 h 25 m 07,857 s       06 ° 20 m 58,740 s

Himmels-
 Karten
• Nachthimmel wird
  an Sphäre
  projiziert, die rotiert
  (wie Planetarium).
• Ausschnitte können
  auf Ebene projiziert
  werden.
• Himmelskarten 
  Computer-
  programme
•  Stellarium

Planetariums-
   Kuppel

Ausschnitt Planetariums-Kuppel

Linux: kstars

Menuleisten Stellarium

              Einstellung
              Beobachtungsort

                Einstellung
                Beobachtungszeit

                                   Geschwindigkeit

Linke Maustaste

Stellarium
Linux, Windows, Mac        Horizont
OpenGL Software

Übungen zu Stellarium
• Wie hoch über dem Horizont steht Jupiter am 15.
  Juli 2018 um 22:00 Uhr?
• Wie hoch über dem Horizont steht die Sonne am 23.
  September um 12:00 Uhr?
• Wieviel beträgt die Sternzeit am 15. Juli 2018 um
  22:00 Uhr in Heidelberg?
• Suchen Sie das Sommerdreieck mit Stellarium.
• Bestimmen Sie Rektaszension und Deklination von
  Beteigeuze im Orion am 15. Januar 2019 um 24:00
  Uhr und vergleichen Sie mit den Werten zur Epoche
  J2000. Erklären Sie die Unterschiede in den Werten.
• Animieren Sie die Mondfinsternis 27. Juli 2018.

Himmelssphäre 3. Teil

   Fortsetzung
    5. Sept. 2018