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Teleskope: Allgemeine Grundlagen

Inhalt
1. Einleitung
2. Materialien
3. Ansprüche an die Montierung
4. Okularauszug
5. Streulicht und Vignettierung
6. Thermik und Temperaturanpassung
7. Justage

Die Grundlagen zu astronomischen Teleskopen werden aufgrund ihres Umfangs zu Gunsten einer besseren Übersicht in zwei Teile aufgeteilt. Dieser Artikel beschreibt die mechanischen Grundlagen zu Teleskopen. Hier finden Sie den Artikel zu den optischen Grundlagen.

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Materialien

Die Qualität eines Teleskops beginnt bei den Materialien, aus denen seine Komponenten bestehen. Hierbei zeichnet sich bereits seit etwa Mitte der 1990er Jahre ein negativer Trend ab: Kleine Teleskope, die preiswert verkauft werden sollen, werden zunehmend mit zahlreichen Komponenten aus Kunststoff verbaut. Plastikkomponenten sind in der Regel jedoch für astronomische Teleskope nur bedingt tauglich: Kunststoff ist wesentlich instabiler als Metall. Insbesonders tragende Teile eines Teleskops sollten aus Metall gefertigt werden. Hierzu zählen:

  • Okularauszug:

    Wenn dieser instabil ist, kann das Bauteil Spiel entwickeln, das zu einem Wackeln bei der Fokussierung und im Fokus führt. Ein scharfes Bild zu erhalten, kann im Extremfall unmöglich werden. Schwere Okulare und Kameras neigen dann auch zum Abkippen, so dass das Bild dann unscharf wird. Allerdings können auch Metallauszüge Spiel haben. Hierauf sollte beim Test des Teleskops ein großes Augenmerk gelegt werden.

  • Linsenfassungen bei Refraktoren, sofern vorhanden auch Abstandsplättchen:

    Hier ist ein hartes Material zwingend erforderlich. Von der Stabilität und Festigkeit von Linsenfassungen und Abstandsplättchen hängt die Justage der Linsen zueinander und somit die optische Gesamtqualität ab. Nicht zuletzt werden auch die Stärke des Restfarbfehlers bei Refraktoren und andere Bildfehler, beispielsweise die Sphärische Aberration, von einem korrekten und stabilem Abstand der Linsen zueinander beeinflusst.

  • Spiegelzellen bei Reflektoren:

    Hier gilt Ähnliches wie für die Linsenfassung bei Refraktoren: Eine instabile Justage kann eine vernünftige Beobachtung erheblich erschweren. Stabile Spiegelzellen sind also unverzichtbar. Meines Wissens nach sind diese auch bei Billigteleskopen aus Metall.

  • Rohrschellen:

    Keine Teleskop-Komponente im engeren Sinn, da sie zur Montierung gehören, jedoch für eine stabile Aufstellung unerlässlich. Das Foto zeigt eine Rohrschelle aus Alu-Guss mit einem Gewinde zur Kamera-Aufnahme:

    Rohrschelle

Eine Ausnahme besteht in der Taukappe (auch Gegenlichtblende oder Sonnenblende genannt) bei Teleskopen mit rückwärtigem Einblick. Sie wird vernünftigerweise aus leichten Materialien gefertigt. Sie ist einerseits kein tragendes Teil, ausserdem verlagert eine schwere Metall-Taukappe den Schwerpunkt zum oberen Ende des Teleskops. Das hintere Ende muss dann weiter unten zu liegen kommen, damit das Fernrohr ausbalanciert ist. Die Folge ist ein unbequemerer Einblick.

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Ansprüche an die Montierung

Prinzipiell gilt: Je größer das Teleskop ist, umso höher sind die Ansprüche an die Montierung, wenn die Aufstellung stabil sein soll. Hierbei spielen sowohl das Gewicht des Tubus als auch die Hebelwirkung eine entscheidende Rolle. Ein Linsenteleskop mit vier Zoll Öffnung und 1000 Millimeter Brennweite stellt beispielsweise mindestens die gleichen Anforderungen an eine stabile Montierung wie ein kurzbauendes Schmidt-Cassegrain-Teleskop mit fünf Zoll Öffnung und 1500 Millimeter Brennweite. Eine Empfehlung für Teleskop-Montierungs-Kombinationen bietet die Tabelle der Deep-Sky-Brothers an.

Für fotografische Anwendungen ist die Frage nach hinreichender Stabilität klar definierbar: Das Teleskop darf auch bei langen Belichtungszeiten auch bei Wind nicht die geringsten Schwingungen zeigen. Diese würden sich auf dem Bild sofort als Verwackelungen bemerkbar machen. Für die Fotografie gilt also: Bei einem gegebenen Budget sollte zunächst eine stabile Montierung ausgesucht werden. Dann folgt lieber ein kleineres, aber dafür absolut stabil getragenes Teleskop. Bei der Optik für die Astrofotografie gilt stets: Weniger ist mehr zugunsten einer stabilen Montierung.

Bei visuellen Beobachtungen ist das Kriterium "ausreichende Stabilität" wie viele andere Kriterien auch ein wenig subjektiv. Natürlich wird auch hier eine möglichst gute Stabilität angestrebt, damit beispielsweise eine exakte Fokussierung überhaupt machbar und bei der Beobachtung ein schwingungsfreies Bild möglich ist. Eine absolute Stabilität wie bei der Astrofotografie ist hier jedoch nicht zwingend erforderlich. Wenn das Instrument beispielsweise jede Minute bei Wind ein paar Sekunden schwingt, tut das der Beobachtung keinen großen Wertverlust an. In der Astrofotografie wäre ein solches Schwingungsverhalten jedoch verheerend. Man muss auch berücksichtigen, wie das Instrumentarium transportiert werden soll, wie viel Platz im Fahrzeug zur Verfügung steht und ob ein etwas längerer Transport per Hand (zum Beispiel zum Fahrzeug) erforderlich ist. Hierbei ist nicht zuletzt die eigene körperliche Belastbarkeit eine entscheidende Frage, sowohl bei der Montierung als auch bei dem eigentlichen Teleskoptubus. Bei der visuellen Beobachtung kann die Montierung also stärker ausgelastet werden als bei der Astrofotografie.

Diese Beispiele machen Entscheidungskriterien zur Wahl der Montierung, die subjektiv, da sie von Situation zu Situation verschieden sind, deutlich. Der Beobachter selbst muss sich hier die Frage stellen, ob und wieviel Instabilitäten er bei der visuellen Beobachtung beispielsweise zu Gunsten eines bequemen und sicheren Transports in Kauf nehmen möchte oder muss. Ein anderer Faktor ist der Einsatzzweck. Für schnelle Beobachtungen zwischendurch, das sog. "Schnellspechteln", nehmen viele Beobachter beispielsweise zu Gunsten eines möglichst schnellen Aufbaus eine etwas größere Ausschwingzeit (die Zeit zwischen einer Berührung des Teleskops bis zum Abklingen der Schwingungen) in Kauf. Sofern man die Möglichkeit hat, sollte man die ins Auge gefassten oder ihnen ähnliche Optik-Montierungs-Kombinationen vor dem Kauf selber testen, um sich einen realen Eindruck vom Schwingungsverhalten zu verschaffen.

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Okularauszug

Der Okularauszug ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal, da er die Okulare bzw. die Kamera stabil tragen muss. Im Falle von Instabilitäten bei diesem Bauteil tritt Spiel auf, so dass sich das Innenrohr im Außenrohr hin- und herbewegen lässt. Ein weiterer Effekt dieses Spiels ist ein Abkippen des Auszugs, wenn er weit ausgezogen wird und schweres Zubehör befestigt ist. Dann ist das Okular bzw. die Kamera nicht mehr parallel zur optischen Achse ausgerichtet, so dass das Bild unscharf wird. Das Spiel kann auch eine exakte Fokussierung erheblich erschweren. Das Foto zeigt einen visuell stabilen Kunststoff-Okularauszug. So ähnlich sehnen praktisch alle Zahnstangen-Okularauszüge aus. Die chromfarbene Schraube dient der Fixierung des eingestellten Fokus.

Zahnstangen-Okularauszug

Der Okularauszug sollte deshalb solide gebaut und aus Metall sein. Plastikokularauszüge sind zwar mitunter für visuelle Beobachtungen stabil genug gebaut. Sie sind jedoch anfälliger für Spiel und tragen schweres okularseitiges Zubehör nur instabil. Das Spiel lässt sich unabhängig vom Material reduzieren und ggf. sogar komplett beseitigen, wenn die an der Unterseite angebrachten Schrauben genutzt werden. Sie dienen der Einstellung der Gängigkeit des Okularauszuges. Bei einer etwas strammeren Einstellung wird das Spiel stark reduziert.

Unabhängig von einem eventuell vorhandenen Spiel sollte ein Okularauszug nicht zu leichtgängig eingestellt werden: Ist er zu leichtgängig, ist eine exakte Fokussierung schwerer, da man in diesem Fall schnell am Fokus vorbei dreht. Wenn das Teleskop in Zenitnähe ausgerichtet ist, besteht die Gefahr, dass sich das Innenrohr des Okularauszuges der Schwerkraft folgend nach unten bewegt, und es muss dann ständig nachfokussiert werden. Das ist vor allem bei preiswerten Modellen wichtig, die keine Fixierschraube (siehe Foto oben) haben.

Hochwertige Okularauszüge bieten eine Untersetzung der Scharfeinstellung, meistens 1:10, an. Diese Untersetzung entspricht einer Grob- und Feinverstellung des Fokus. Sie ist bei starken Vergrößerungen und auch in der Astrofotografie, bei der es auf eine exakte Fokussierung ankommt, sehr hilfreich.

Leider haben einige Okularauszüge die Eigenschaft, eine Vignettierung in das System einzuführen. Das passiert, wenn der Okularauszug ein zu langes Rohr hat: Es dringt gewissermaßen in den Strahlenkegel ein, so dass dieser nicht mehr komplett in das Auszugsrohr passt. Umgekehrt ausgedrückt ist das Auszugsrohr für den Lichtkegel zu dünn. Dies ist eine Fehlkonstruktion des Teleskops und tritt hauptsächlich bei Refraktoren auf. Man kann einfach überprüfen, ob eine Vignettierung vorliegt: Schaut man ohne Okular in den Okularauszug, und erkennt man die Linsenränder, ohne den Tubus zu kippen, liegt keine Vignettierung vor. Man kann die Vignettierung beseitigen, indem man das zu lange Auszugsrohr kürzt.

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Streulicht und Vignettierung

Streulicht entsteht durch seitlichen Lichteinfall in den Tubus und durch Reflexionen an nicht gut geschwärzten mechanischen Komponenten inklusive der Tubusinnenwand und ggf. der Taukappe. Streulicht ist ein großes Problem, da es allgemein kontrastmindernd wirkt. Da viele astronomische Objekte kontrastarm sind (schwache Nebel, Planetendetails und Sterne an der Wahrnehmungsgrenze) ist ein möglichst hoher Kontrast für eine gute Bildqualität genauso wichtig wie die Bildschärfe.

Werkseitig kann das Streulichtproblem auf zwei Wegen angegangen werden: Eine möglichst gute mattschwarze Lackierung aller Komponenten und abhängig vom Teleskoptyp eine sinnvolle Positionierung und Dimensionierung von Streulichtblenden. Letztere fangen das Streulicht ab, wenn sie richtig konzipiert sind, so dass es nicht in den eigentlichen Strahlengang gelangt. Zu enge Streulichtblenden können zu einer Abschattung (Vignettierung) des Strahlenganges führen. Die Folge ist, dass nicht alles gesammelte Licht ins Okular gelangt. So wird beispielsweise aus absoluten zehn Zentimeter Öffnung schnell ein Teleskop mit effektiven neun Zentimetern Öffnung.

Bei katadioptrischen Teleskopen, also Maksutov-Cassegrains und Schmidt-Cassegrains, kann ein zu enges oder zu langes Blendenrohr ebenfalls zu einer Vignettierung führen. Damit ist das Rohr gemeint, das von der zentrahlen Durchbohrung im Hauptspiegel in den Tubus ragt. Es soll Streulicht unterdrücken. Diese Rohre sind häufig sehr knapp und mit wenig Reserve konstruiert.

Vignettierung

Die obige Abbildung demonstriert die Ursachen der Vignettierung (zu Gunsten einer besseren Übersicht wurde exemplarisch auf die Objektivlinse verzichtet). Die grüne Blende (in Wirklichkeit ein Ring um den Lichtkegel) kann Streulicht wirksam unterdrücken und hat die richtige Länge: Sie bleibt außerhalb des Lichtkegels. Die linke rote Blende ragt zu weit in den Tubus: Der Strahlenkegel wird von ihr beschnitten, also abgeblendet. Der Effekt ist wie bei einem Kameraobjektiv: Die effektive Öffnung wird reduziert, die Folge sind Licht- und Auflösungsverlust. Beim Blick durch den Okularauszug ohne Okular würde man den Objektivrand nicht sehen.

Der Okularauszug bzw. das Blendenrohr hat einen ähnlichen Effekt: Der grüne Okularauszug ist korrekt konstruiert, der Lichtkegel wird nicht beschnitten. Die rote Version ist jedoch zu lang: Das einfallende Lichtbündel erreicht nicht komplett das Okular, die Folgen sind die gleichen wie bei der zu engen Blende. Hier ist das Rohr entweder zu lang oder zu eng. Das Foto zeigt das zentrale Blendenrohr eines katadioptrischen Teleskops:

Blendenrohr

Eine Blende im weiteren Sinn ist auch die bereits erwähnte Taukappe. Sie bewirkt, dass aus extremen Winkeln einfallendes Streulicht gar nicht erst ins Teleskop gelangt. Sie muss jedoch in der Länge exakt auf das jeweilige Teleskop abgestimmt sein: Eine zu lange Taukappe führt zur Vignettierung des Bildes, eine zu kurze kann ihrer Aufgabe, der Streulichtunterdrückung, nicht gerecht werden. Das Foto zeigt eine solche Taukappe an einem Maksutov-Cassegrain-Teleskop:

Taukappe

Die Innenschwärzung ist werkseitig in der Regel mit mattschwarzem Lack vorgenommen. Dieser ist oft nicht effektiv genug, es kommt nach wie vor zu Reflexionen. Einige Komponenten sind leider mitunter gar nicht geschwärzt und glänzen bei Lichteinfall. Das Foto zeigt ein solches Beispiel an einem schlecht geschwärzten Fernglastubus (Aufnahme zur Verdeutlichung mit Blitzlicht):

Streulicht durch Reflexion an magelhafter Innenschwärzung

Hier kann man entgegenwirken, indem man die kritischen Bereiche mit mattem Lack übermalt, der ähnlich wie eine Rauhfaser-Tapete kleine erhabene Splitter enthält. Solche Unebenheiten unterdrücken Streulicht besser als normaler Lack. Als beste Lösung hingegen gilt eine Auskleidung der empfindlichen Bereiche mit Velours. Das ist eine Folie, die feinste Borsten enthält. Die Streulichtunterdrückung ist damit besonders effektiv. Selbst Fotografien solcher optimierten Bauteile mit Blitzlicht sind quasi reflexionsfrei.

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Thermik und Temperaturanpassung

Das thermische Verhalten eines optischen Tubus ist für die Bildqualität von großer Wichtigkeit. Es ist verantwortlich für die Luftturbulenzen im Tubus, das sog. Tubus-Seeing. Dieses verschlechtert die Bildqualität merklich. Die entsprechenden Grundlagen werden im Artikel Seeing behandelt.

Die verschiedenen Teleskoptypen reagieren hierbei unterschiedlich anfällig auf diese Thermik. Refraktoren, insbesondere solche mit kleinen und mittleren Objektivdurchmessern, sind verglichen mit anderen Teleskoptypen vergleichbarer Öffnung nicht ganz so anfällig. Die vom Objektiv während der Temperaturanpassung abgegebene Wärme entweicht größtenteils direkt in die Umgebung oder kommt direkt unter dem Objektiv zur Ruhe. Dies gilt jedoch nur im Vergleich mit Spiegelteleskopen "von der Stange". Ein thermisch optimierter Reflektor hat ein besseres thermisches Verhalten.

Kurzbauende katadioptrische Spiegelteleskope haben die ungünstigste Thermik: Der Spiegel gibt die Wärme beim Auskühlen in den Tubus ab, und die Korrektorplatte hindert sie daran, abzuziehen. Der Prozess der Auskühlphase kann deshalb bei starken Temperaturunterschieden zwischen Tubusluft und Aussentemperatur bei Teleskopen dieser Art mit 20 Zentimeter Öffnung über zwei Stunden dauern (reine Cassegrains mit offenen Tuben ausgenommen). Dafür sind die hervorgerufenen Seeing-Effekte nicht so stark wie bei den unten beschriebenen offenen Tuben, so dass eine Beobachtung trotzdem bereits möglich ist, auch wenn die Momente mit gutem Seeing dann noch sehr selten sind.

Aus folgendem Grund haben katadioptrische Teleskope und reine Cassegrains die stärkste Anfälligkeit für Tubus-Seeing: Das Licht muss die Luftmassen solcher Teleskope dreimal in einem jeweils anderen Winkel durchqueren: Einmal beim Eintritt, nach der Reflexion am Hauptspiegel und nach der Reflexion am Fangspiegel. Entsprechend verdreifachen sich die Seeing-Effekte gegenüber einer Optik, bei der das Licht nur einmal den Tubus passiert.

Newton-Reflektoren haben die besten thermischen Eigenschaften, vorausgesetzt, sie sind mit einer entsprechenden Lüftung so optimiert, dass die vom Spiegel abgegebene Wärme nicht in den Strahlengang gelangt. Die aufsteigende warme Luft kann direkt an die Umgebung abgegeben werden. Natürlich dauert der Prozess der Abkühlung des Spiegels auch eine gewisse Zeit, bei den oben beschriebenen 20 Zentimeter-Spiegeln etwa 15 bis 30 Minuten. Die Luft in solchen Teleskoptuben "köchelt" zwar verglichen mit denen von katadioptrischen Systemen zwar relativ kurz, dafür aber so heftig, dass in dieser Phase, besonders zu Beginn der Temperaturanpassung, Beobachtungen praktisch überhaupt nicht möglich sind: Es muss alle paar Sekunden nachfokussiert werden.

Einen Spezialfall, unabhängig vom Teleskoptyp, stellt die Sonnenbeobachtung dar. Aufgrund der benötigten Objektivsonnenfilter haben wir es generell mit geschlossenen Tuben zu tun. In Bezug auf die Thermik liegt hier das umgekehrte Problem zur Nachtbeobachtung vor: Da die Optik zwangsweise in der prallen Sonne steht, muss sich das Tubusinnere der Aussentemperatur anpassen, indem es sich erwärmt. Dies hat die gleichen und zum Teil noch stärkeren Konvektionen in Verbindung mit Dichteschwankungen zur Folge. Jedoch kann man dem hier teilweise entgegen wirken: Die Tubusfarbe ist wichtig. Je dunkler er ist, umso mehr Wärme speichert er. Ein weißer Tubus zeigt also bei der Sonnenbeobachtung eine bessere Thermik als die derzeit modernen blauen bis schwarzen Tuben. Noch bessere Ergebnisse erhält man, wenn man den Tubus mit Alufolie verkleidet: Hier wird die auftreffende Sonnenwärme nahezu vollständig reflektiert.

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Justage

Die Justage ist einfach ausgedrückt die richtige Ausrichtung der optischen Elemente zueinander und zum Zentrum des Okularauszugs. Nur dann kann ein Teleskop ein einwandfreies Bild liefern. Es ist deshalb wichtig, sich mit den Justagemöglichkeiten seines Teleskops vertraut zu machen. Viele vermeintlich schlechte Teleskope sind oft nur dejustiert. Das gilt insbesondere dann, wenn ein Teleskop trotz sauberer optischer Flächen und gutem Seeing ein schlechteres Bild zeigt als bei vergangenen Beobachtungen.

Eine Dejustage zeigt sich folgendermaßen: Neben dem subjektiven Kriterium, dass das Bild schon mal besser war, gibt es objektive Anzeichen für eine Dejustage. Dies gilt insbesondere für lichtstärkere Teleskope. Die Auswirkungen einer Dejustage zeigen sich umso deutlicher, je lichtstärker die Optik ist. Zunächst schaut man sich den fokussierten Stern in der Bildmitte, also auf der optischen Achse, an. Er muss bei guter Luftruhe und ausgekühlter Optik ein kleines, kreisrundes Beugungsscheibchen zeigen. Dieses ist von zwei bis drei gleichmäßigen, konzentrischen Beugungsringen umgeben, die sich bei starker Vergrößerung zeigen. Dann ist unser Teleskop richtig justiert.

Eine dejustierte Optik zeigt bereits auf der optischen Achse einen je nach Stärke der Dejustage mehr oder weniger stark verzeichneten Stern. Er erscheint unscharf und ähnlich einem Kometen mit einem langgezogenen, diffusen "Schwanz". Diese Erscheinung wird allgemein als Koma, in diesem speziellen Fall als "On-Axis-Koma", bezeichnet. Bei schwächerer Dejustage erscheint der Stern auf der Achse noch annähernd punktförmig, jedoch sind die Beugungsringe deformiert: Abhängig vom Grad der Dejustage ist ein Beugungsring nicht gleichmäßig dick oder sogar in eine Richtung offen. Sie sind dann auch nicht mehr konzentrisch.

Am eindeutigsten erkennt man eine Dejustage am leicht defokussierten Stern bei hoher Vergrößerung: Die Beugungsringe sind hierbei nicht konzentrisch. Bei Optiken mit zentraler Abschattung erscheint dann dieser sog. Zerstreuungskreis bei der Defokussierung wie ein Ring, wobei das Loch vom Fangspiegel kommt. Bei justierter Ooptik ist dieses Loch exakt mittig, und bei dejustierten Optiken weicht es mehr oder weniger stark vom Zentrum ab. Es darf jedoch nicht zu stark defokussiert werden, um die Auswirkungen der Dejustage deutlich zu erkennen.

Eine Neujustage erfolgt mit mechanischen Hilfsmitteln am Teleskop. Bei Refraktoren muss dies jedoch in der Regel vom Fachmann durchgeführt werden, dafür ist die Justage normalerweise sehr stabil und verglichen mit Spiegelteleskopen langlebig. Die Justagestabilität ist ein Faktor der Verarbeitungsqualität eines Teleskops. Die folgenden Websites geben Anleitungen zur Justage von Spiegelteleskopen:

Newtons:

Anleitung von Uwe Pilz (unten auf der Seite)

Anleitung von pteng (links auf "Astronomie" und dann auf "Justage" klicken.

Schmidt-Cassegrains:

Anleitung von Dr. Wolfgang Strickling

Die genaue Vorgehensweise ist unter Umständen modellspezifisch und der Bedienungsanleitung des jeweiligen Teleskops zu entnehmen.

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