Fernrohr

Ein Fernrohr sammelt mit einer Linse oder einem Spiegel das Licht eines fernen Gegenstands und vergrößert das Bild, das dabei entsteht. Brillenmacher in den Niederlanden bauten 1608 die ersten, und Galileis verbesserte Instrumente zeigten Ende 1609 Berge auf dem Mond und im Januar 1610 vier Monde, die Jupiter umkreisen.

Was es ist

Ein Fernrohr lässt ferne Dinge näher erscheinen. Sein wichtigstes Element, das Objektiv, sammelt viel mehr Licht als die Pupille und erzeugt ein Bild des fernen Gegenstands. Beim Linsenfernrohr ist das Objektiv eine Linse vorn im Rohr, beim Spiegelteleskop ein gewölbter Spiegel am hinteren Ende; ein kleineres Okular vergrößert dieses Bild dann für das Auge.

Das Instrument auf der Tafel ist eines der beiden erhaltenen Fernrohre Galileo Galileis im Museo Galileo in Florenz. Sein Hauptrohr besteht aus zwei hölzernen Halbschalen, die von Kupferdraht zusammengehalten und mit Papier überzogen sind. Eine kurze Fassung vorn hält das Objektiv, eine Sammellinse von 51 mm Durchmesser und 1330 mm Brennweite; eine zweite hinten hält das Okular, eine kleine Zerstreuungslinse. Das Instrument vergrößert 14fach und zeigt nur ein Himmelsfeld von einem Viertelgrad, etwa den halben Durchmesser des Vollmonds.

Wie es funktioniert

Das Licht eines Sterns oder eines fernen Kirchturms kommt als nahezu paralleles Bündel an. Das Objektiv bricht dieses Bündel so, dass es auf einen Punkt zuläuft, den Brennpunkt, der bei Galileis Fernrohr 1330 mm hinter der Linse liegt. Allein würde das Objektiv dort ein kleines, umgekehrtes Bild erzeugen.

Newtons Spiegelteleskop ersetzte die Objektivlinse durch einen gewölbten Metallspiegel am Boden eines kurzen Rohrs; ein kleiner Planspiegel lenkt das Licht zur Seite.

Bei der galileischen Bauart fängt das zerstreuende Okular das zusammenlaufende Licht vor dem Brennpunkt ab. Es fächert die Strahlen gerade so weit auf, dass sie wieder parallel laufen, nun aber unter steileren Winkeln als beim Eintritt: Das Auge sieht den Gegenstand größer und aufrecht. Die Vergrößerung ist die Brennweite des Objektivs geteilt durch die des Okulars, ohne dessen Minuszeichen: 1330 mm durch 94 mm ergibt etwa 14.

1611 schlug Johannes Kepler ein sammelndes Okular vor. Das keplersche Fernrohr zeigt ein umgekehrtes Bild, was einen Astronomen nicht stört, und ein viel größeres Gesichtsfeld; es wurde zum gewöhnlichen astronomischen Linsenfernrohr. Eine Linse bricht außerdem jede Farbe etwas anders und umgibt helle Objekte mit Farbsäumen. Isaac Newton umging das, indem er das Licht mit einem Hohlspiegel sammelte, der alle Farben gleich zurückwirft.

Wie man es baut

Ein galileisches Fernrohr wie das Galileis braucht zwei Linsen und ein Rohr von etwa einem Meter.

Linsen wählen. Als Objektiv eine Sammellinse von etwa +1 Dioptrie (1000 mm Brennweite) und 40 bis 50 mm Durchmesser; eine Einzellinse geht, ein achromatisches Linsenpaar vom Optikversand liefert ein schärferes Bild. Als Okular eine Zerstreuungslinse von etwa −10 Dioptrien (−100 mm Brennweite) und 20 bis 25 mm Durchmesser. Dieses Paar vergrößert 1000 : 100 = 10fach.

Rohr bauen. Die Linsen müssen etwa 900 mm auseinander sitzen: Objektivbrennweite minus Okularbrennweite, diese ohne Minuszeichen gerechnet. Zwei Papp- oder Kunststoffrohre nehmen, die ineinander gleiten, damit sich die Länge um einige Zentimeter verstellen lässt. Innen mattschwarz streichen oder auskleiden, um Streulicht zu vermeiden.

Linsen fassen. Das Objektiv am vorderen Ende zwischen zwei Ringen aus Pappe oder Holz halten, genau senkrecht zum Rohr. Das Okular in eine kurze Kappe am hinteren Ende setzen, die hohle Seite zum Auge.

Im ersten Viertel zeigten Gipfel, die jenseits der Schattengrenze schon Licht bekamen, Galilei, dass der Mond Berge hat.

Scharfstellen und beobachten. Das Rohr auf etwas Festes legen, ein Fotostativ oder einen Zaun, und die Rohre verschieben, bis ein ferner Schornstein scharf erscheint. Nachts zeigt es die Krater des Mondes und an einem ruhigen Abend die vier größten Jupitermonde.

Sicherheit. Nie ein Fernrohr oder irgendeine Linse auf die Sonne richten, auch nicht kurz oder bei Sonnenuntergang, und es nie so stehen lassen, dass Kinder es tun könnten: Gebündeltes Sonnenlicht kann das Auge sofort und dauerhaft schädigen und das Rohr entzünden. Für die Sonnenbeobachtung durch ein Fernrohr braucht man einen eigens dafür gebauten Filter, der die ganze vordere Öffnung bedeckt, fest sitzt, vor jedem Gebrauch auf Kratzer und Löcher geprüft und nach Herstelleranleitung verwendet wird. Finsternisbrillen und ins Okular geschraubte Filter schützen hinter einem Fernrohr nicht.

Geschichte und Entwicklung

Am 2. Oktober 1608 beantragte Hans Lipperhey, Brillenmacher in Middelburg, bei den Generalstaaten in Den Haag ein Patent auf ein Instrument, mit dem man ferne Dinge sehen könne, als wären sie nah. Jacob Metius aus Alkmaar reichte einige Wochen später einen ähnlichen Antrag ein, weitere beanspruchten die Idee, und das Patent wurde verweigert. Kein Fernrohr dieser ersten Hersteller ist erhalten; das von Lipperhey vergrößerte wohl etwa dreifach.

Jupiter und seine vier großen Monde liegen fast auf einer Linie; Galilei sah sie im Januar 1610 von Nacht zu Nacht die Plätze tauschen.

Die Nachricht vom „holländischen Perspektiv“ verbreitete sich rasch. In England benutzte Thomas Harriot schon im Sommer 1609 ein sechsfach vergrößerndes Instrument, und in Padua baute Galilei, der seine Linsen selbst schliff, im Sommer 1609 ein dreifach vergrößerndes Perspektiv und führte im August dem venezianischen Senat ein achtfaches vor. Im Herbst erreichte er etwa das Zwanzigfache; die Quellen sind uneins, ob er den Mond zuerst mit diesem oder mit einem schwächeren Instrument untersuchte. Sein zweites erhaltenes Fernrohr vergrößert 21fach. Im März 1610 beschrieb sein schmales Buch Sidereus Nuncius Berge auf dem Mond, unzählige Sterne in der Milchstraße und vier Monde, die Jupiter umkreisen. Den Namen telescopio schlug 1611 Fürst Federico Cesi vor, der Gründer der Accademia dei Lincei.

Danach bauten Astronomen immer längere Linsenfernrohre, um die Farbunschärfe zu verringern. Chester Moore Hall fertigte um 1733 achromatische Objektive aus zwei Glassorten, die sich aber erst durchsetzten, als John Dollond sie Ende der 1750er-Jahre herzustellen begann. Newtons Spiegelteleskop, 1668 entworfen und in einer zweiten Ausführung um die Jahreswende 1671/72 der Royal Society gezeigt, wurde zum Vorbild der Spiegelteleskope, die William Herschel selbst baute; mit einem davon entdeckte er 1781 den Planeten Uranus.