Astrofotografie

Das Universum - Mein neuer Favorit

Die Naturfotografie war viele Jahre mein Weg, besondere Momente festzuhalten – Landschaften, Tiere, Makrowelten und stille Orte fernab des Alltags. Mit der Astrofotografie hat sich dieser Blick schließlich vom Irdischen in die Tiefen des Universums erweitert.

Die Astrofotografie vereint auf ideale Weise meine Freude an technischen Herausforderungen mit dem Staunen über die grenzenlose Weite des Universums.
Klare Nächte unter freiem Himmel beruhigen, und gleichzeitig zwingt die erforderliche Genauigkeit bei der Bedienung der astronomischen Gerätschaften, die Alltagsgedanken zu hint an zu stellen.

Wenn sich dann die gesammelten Daten am Computer zu einem schönen Astrobild zusammenfügen, kommt ein weiteres mal große Freude auf.

Architektur des Weltalls

Hinter dem Universum verbirgt sich ein präziser Bauplan. Von den kleinsten Bausteinen bis zu den größten bekannten Dimensionen ist die Struktur wie folgt:
Lesen Sie weiter
  • Mikrokosmos und Sterne
    Die Grundbausteine sind Atome, aus denen sich Gas und Staub bilden. Daraus entstehen durch Gravitation Sterne, die wiederum oft von Planetensystemen umgeben sind.
  • Sternhaufen und Galaxien
    Sterne ballen sich zu offenen oder Kugelsternhaufen zusammen. Milliarden dieser Sterne bilden eine Galaxie (wie unsere Milchstraße).
  • Lokale Gruppen und Superhaufen
    Galaxien sind selten isoliert. Sie bilden kleine Gruppen (wie unsere Lokale Gruppe), die sich zu riesigen Superhaufen zusammenschließen.
  • Filamente und Voids
    Betrachtet man den Kosmos in seiner Gesamtheit, so erinnert seine Struktur an einen riesigen Schwamm. Der Kosmos wird deshalb mit einem Schwamm verglichen, weil die Materie (Galaxien und Galaxienhaufen) nicht gleichmäßig verteilt ist. Sie bildet ein Netz aus feinen Fäden und flachen Wänden (die sogenannten Filamente). Dazwischen befinden sich riesige, fast leere Regionen (die Voids). Genau wie bei einem Schwamm wechseln sich hier feste Materie und leere Hohlräume ab.

    Filamente Voids

    Auf den größten Skalen ähnelt der Weltraum einem gigantischen, porösen Netz (Grafik auf Supercomputer erstellt)

    Im Universum gibt es weit mehr, als das Auge wahrnehmen kann. Der Großteil der Materie/Energie im Universum besteht aus einer anziehenden Dunklen Materie und einer abstoßenden Dunklen Energie. Ihre jeweilige wahre Natur ist jedoch ein Geheimnis.
    Masse Energie Materie Aufteilung Die scheinbar massereichen Strukturen machen nur einen Bruchteil (ca. 5%) des Universums aus.
    Die Zusammensetzung im großen Maßstab teilt sich wie folgt auf:
    • Gewöhnliche Materie
      Gewöhnliche Materie ist alles, was Masse besitzt und Raum einnimmt. Sie bildet alles, was wir sehen und berühren können: Planeten, Sterne, Staubwolken, aber auch uns Menschen. Im ganzen Universum besteht der Kosmos zu schätzungsweise nur 5 % aus dieser „normalen“ Materie. Chemisch gesehen besteht sie zu etwa 75 % aus Wasserstoff und 24 % aus Helium.
    • Dunkle Materie
      Dunkle Materie (ca. 26 %) ist eine unsichtbare Form von Materie im Weltraum, die weder Licht aussendet noch reflektiert. Obwohl wir sie nicht sehen können, verrät sie sich durch ihre Schwerkraft (Gravitation), welche wie ein unsichtbarer Klebstoff wirkt. Sie fungiert als das "Gerüst", das Galaxien zusammenhält.
    • Dunkle Energie
      Die Dunkle Energie (ca. 69 %) ist keine Materie, sondern eine Art abstoßende Kraft, die im gesamten leeren Raum wirkt. Sie ist der Grund, warum sich das Universum ausdehnt und diese Ausdehnung seit einigen Milliarden Jahren sogar immer schneller wird.
    Wir können die Phänomene Dunkle Materie und Dunkle Energie nicht direkt im Labor anfassen. Dennoch sind sich Physiker sicher, dass es sie geben muss.
    Wenn wir unsere mathematischen Modelle, unsere physikalischen Gesetze (wie Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie) und unsere Beobachtungen des Weltalls zusammennehmen, fehlt ein Großteil der Masse und Energie, um die Bewegungen der Sterne und die Expansion des Universums zu erklären. Ohne die Konzepte der Dunklen Materie und Dunkler Energie würde unsere heutige Wissenschaft das Universum nicht erklären können.

    Das Alter des Universums: Urknall und Hubble Konstante

    Unmittelbar nach dem Startschuss, ...
    Lesen Sie weiter
    Unmittelbar nach dem Startschuss, dem sogenannten Urknall, dehnte sich der Raum aus einem unendlich kleinen und heißen Punkt (der Singularität) explosionsartig aus. Das Universum entstand nicht wie eine herkömmliche Explosion in einem bereits bestehenden Raum.
    Die kosmologische Forschung beziffert das Alter des Universums auf ca. 13,8 Milliarden Jahre.
    Seit dem Urknall dehnt sich das Universum mit einer bestimmten Rate, der sogenannten Hubble-Konstante (Hubble-Lemaître-Gesetz) aus.
    Die Hubble-Konstante gibt an, um wie viel schneller sich eine Galaxie pro Megaparsec (ca. 3,26 Millionen Lichtjahre) Entfernung von uns entfernt. Sie ist zentral für die Altersbestimmung des Kosmos.

    Wikipedia: Expansion des Universums
    Hubble-Lemaître-Gesetz: Astronomen würdigen belgischen Priester
    Wikipedia: Georges Lemaître

    Die drei Schritte zur Bestimmung der Hubble-Konstante

    Die Illustration unten zeigt die drei Schritte, mit denen Astronomen die Expansionsrate des Universums mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmen konnten. Durch die Verbesserung und Verfeinerung der sogenannten kosmischen Entfernungsleiter wurde die Gesamtunsicherheit der Messung auf nur noch etwa 2,3 Prozent reduziert.
    Die kosmische Entfernungsleiter dient dazu, präzise Entfernungen zu nahen und weit entfernten Galaxien zu bestimmen.
    Lesen Sie weiter
    Hubble Konstante NASA

    Schritt 1: Cepheiden und die Parallaxenmethode
    Links im Bild ist der erste Schritt dargestellt. Mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble messen Astronomen die Entfernungen zu pulsierenden Sternen, den sogenannten Cepheiden. Dabei nutzen sie die Parallaxe – eine grundlegende geometrische Methode, bei der sich die scheinbare Position eines Sterns durch die Bewegung der Erde um die Sonne geringfügig verändert.

    Vgl. auch Sterne und Sternhaufen / Entfernung der Sterne zur Erde auf dieser Internetseite
    Sterne und Sternhaufen / Entfernung der Sterne zur Erde / Trigonometrische Parallaxenmessung
    Die Messung dieser winzigen Positionsverschiebungen ist äußerst anspruchsvoll. Die beobachteten Veränderungen entsprechen ungefähr der scheinbaren Größe eines Sandkorns in einer Entfernung von 160 Kilometern.

    Die aktuelle Hubble-Studie basiert auf acht neu analysierten Cepheiden in unserer Milchstraße. Diese Sterne befinden sich in Entfernungen zwischen etwa 6.000 und 12.000 Lichtjahren und sind rund zehnmal weiter entfernt als Cepheiden, deren Parallaxen zuvor gemessen wurden. Da sie den Cepheiden in anderen Galaxien sehr ähnlich sind, bilden sie eine wichtige Grundlage zur Kalibrierung der kosmischen Entfernungsleiter.

    Sobald die wahre Leuchtkraft eines Cepheiden bekannt ist, kann er als kosmischer Standardmaßstab dienen. Dabei hilft eine besondere Eigenschaft dieser Sterne: Die Pulsationsdauer steht in direktem Zusammenhang mit ihrer Leuchtkraft. Je langsamer ein Cepheid pulsiert, desto heller ist er. Durch den Vergleich zwischen der tatsächlichen und der beobachteten Helligkeit lässt sich seine Entfernung präzise bestimmen.

    Schritt 2: Kalibrierung von Typ-Ia-Supernovae
    Im zweiten Schritt richten Astronomen ihren Blick auf nahe Galaxien außerhalb der Milchstraße. Dort suchen sie nach Cepheiden in Galaxien, in denen kürzlich eine Typ-Ia-Supernova beobachtet wurde.

    Typ-Ia-Supernovae eignen sich hervorragend als weitere Entfernungsindikatoren, da sie nahezu dieselbe maximale Helligkeit erreichen. Mithilfe der zuvor kalibrierten Cepheiden bestimmen Astronomen zunächst die Entfernung zur jeweiligen Galaxie und können daraus die tatsächliche Leuchtkraft der dort beobachteten Supernova ableiten.

    Schritt 3: Vermessung des expandierenden Universums
    Im dritten Schritt werden Typ-Ia-Supernovae in sehr weit entfernten Galaxien untersucht. Im Gegensatz zu Cepheiden sind diese Sternexplosionen so leuchtkräftig, dass sie auch über Entfernungen von hunderten Millionen bis Milliarden Lichtjahren beobachtet werden können.

    Durch den Vergleich ihrer tatsächlichen und ihrer scheinbaren Helligkeit bestimmen Astronomen die Entfernung dieser Galaxien. Gleichzeitig messen sie die Rotverschiebung ihres Lichts – die Verlängerung der Lichtwellenlängen, die durch die Expansion des Raums verursacht wird.

    Aus der Kombination von Entfernung und Rotverschiebung lässt sich berechnen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnt. Dieser Wert wird als Hubble-Konstante bezeichnet und ist eine der wichtigsten Größen der modernen Kosmologie.

Astrofotografie für jedermann

Was einst großen Sternwarten vorbehalten war, ist heute mit moderner Technik vom Balkon oder aus dem Garten möglich. ...
Lesen Sie weiter
Selbst schwächste Strukturen des Universums lassen sich heute mit erschwinglicher Ausrüstung sichtbar machen. Das Universum ist jedoch so riesig, dass uns das Licht vieler Sterne noch nicht erreicht hat. Von unserer Erde sehen wir daher nur einen kleinen Bereich.

Gründe dafür sind:
  • Die Entfernung der Sterne
    Viele Sterne befinden sich in enormen Entfernungen von der Erde, und das Licht benötigt Zeit, um diese Entfernungen zurückzulegen. Je weiter ein Stern entfernt ist, desto länger dauert es, bis sein Licht uns erreicht.
  • Die Expansion des Universums
    Das Universum expandiert, was bedeutet, dass sich einige Galaxien von uns entfernen. Dadurch kann das Licht dieser Galaxien rotverschoben werden und länger brauchen, um uns zu erreichen. Wenn Wissenschaftler vom expandierenden Universum sprechen, meinen sie, dass es seit seinem Beginn mit dem Urknall stetig wächst. Die Galaxien außerhalb unserer eigenen bewegen sich von uns weg, und die am weitesten entfernten bewegen sich am schnellsten. Das bedeutet, dass sich alle anderen Galaxien von einem wegbewegen, egal in welcher Galaxie man sich befindet. Die Galaxien bewegen sich jedoch nicht durch den Raum, sondern im Raum, da sich auch der Raum bewegt. Anders ausgedrückt: Das Universum hat kein Zentrum; alles bewegt sich von allem weg. Stellt man sich ein Gitter im Raum vor, in dem sich etwa alle Million Lichtjahre eine Galaxie befindet, dehnt sich dieses Gitter nach einer gewissen Zeit so aus, dass die Galaxien alle zwei Millionen Lichtjahre verteilt sind und so weiter, möglicherweise bis ins Unendliche.
  • Das Alter des Universums
    Das Universum hat ein bestimmtes Alter (etwa 13,8 Milliarden Jahre), und es gibt Sterne, deren Licht einfach nicht genug Zeit hatte, um zu uns zu gelangen.
  • Staub und Gas
    Gleichzeitig kann interstellare Materie wie Staub und Gas das Licht auf seinem Weg zur Erde streuen oder absorbieren, was uns ebenfalls daran hindern kann, das Licht bestimmter Sterne zu sehen.
  • Beobachtungsgrenzen
    Unsere Beobachtungen stoßen an technische und physikalische Grenzen. Manche Sterne sind schlichtweg zu lichtschwach oder zu weit entfernt, um mit unseren derzeitigen Teleskopen gesehen zu werden.
Da schwache Sterne und astronomische Nebel nur eine geringe Lichtmenge aussenden, muss ihr Licht in zahlreichen Einzelaufnahmen eingefangen werden, um ein kontrast- und detailreiches Astrofotografie-Bild zu erzeugen. Dieser Prozess kann sich über mehrere Nächte erstrecken.
Das Licht der einzelnen Aufnahmen wird dann am Computer mit spezieller Software aufaddiert, zum Beispiel PixInsight.

Die folgenden Bilder wurden mit speziellen Astrokameras, Teleobjektiven mit Brennweiten zwischen 100mm f/2.8 und 500mm f/4.0, einem Newton-Teleskop Takahashi Epsilon130 und einem 8” Ritchey-Chretien Telescope erstellt.

Um die Erdrotation während der langen Belichtungszeiten auszugleichen, muss das Teleskop/Objektiv den Sternen sehr genau nachgeführt werden. Dies geschieht mit einer speziellen motorisierten Vorrichtung, siehe Wikipedia: Montierung.

Für das Beobachten und Fotografieren der Sterne ist ein dunkler Standort mit geringer Lichtverschmutzung ideal, siehe Light pollution map

Eine Reise durch das Weltall an Bord eines virtuellen Raumschiffs
Zum Startjubiläum des James-Webb-Weltraumteleskops von NASA/ESA/CSA präsentierte die ESA eine faszinierende Zusammenstellung atemberaubender Weltraumaufnahmen.
Fauna