Twinkle, twinkle, little star…

How I wonder what you are. Ein großer, heißer aus Plasma und Gas bestehender Himmelskörper, der selbst leuchtet. So antworteten die Astronomen, aber warum „twinkelt“ ein Stern eigentlich? Vor allem Sirius fällt durch sein Zittern immer wieder auf. Akribische Beobachter werden außerdem festgestellt haben, dass Planeten, wie bspw. die Venus, deutlich weniger zittern und dass Sterne nahe am Horizont tendenziell stärker in ihrer Helligkeit schwanken. Um die Frage des Zitterns zu beantworten, müssen wir uns mit dem Weg des Lichts beschäftigen.

Wir stellen uns einen Lichtstrahl vor, wie dieser einen weit entfernten Stern verlässt, mehrere Lichtjahre passiert, nur um dann durch die Erdatmosphäre und schließlich auf unsere Netzhaut zu gelangen. Wie das Licht überhaupt entsteht und wie spannend das vermeintliche „Nichts“ zwischen den Sternen sein kann, ist Thema für einen anderen Artikel, aber für unsere Frage ist die Erdatmosphäre entscheidend. Jeder hat schon einmal festgestellt, dass Objekte hinter einem Wasserglas teilweise befremdlich wirken können. Berühmt ist der abgeknickte Strohhalm im Wasser. Grund für diese Erscheinung ist die Lichtbrechung. Trifft unser Lichtstrahl auf ein Material, ändert er seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Wasser ist dichter als Luft, demzufolge ist die Geschwindigkeit des Lichts im Wasser kleiner als in der Luft. Man kann sich das so vorstellen, dass es schwierig ist, durch eine Menschenmenge zu rennen. Ohne die Menschenmenge ist man definitiv schneller.

Doch wie können wir mit Hilfe der Lichtbrechung das Funkeln der Sterne erklären? Genau wie Wasser dichter als Luft ist, ist die Luft in unserer Atmosphäre dichter als zwischen den Sternen. Also wird unser Lichtstrahl gebrochen und nun? Der Knackpunkt ist, dass unsere Atmosphäre nicht gleichmäßig verteilt ist. An einer Stelle ist sie dichter, an einer anderen dünner. Damit wird auch das Licht unterschiedlich stark gebrochen. In der nächsten Sekunde ist die Luft auf einmal dünner als vorher, wodurch der Lichtstrahl wieder unterschiedlich gebrochen wird. Somit wird das Licht vom Stern immer mehr oder weniger stark abgelenkt; mal in die eine, mal in die andere Richtung. Dadurch scheint es, als würde der Stern funkeln.

Das Licht von Sternen, die tief am Horizont stehen, müssen einen längeren Weg durch unsere Atmosphäre zurücklegen als das Licht von Sternen, die sich höher über dem Horizont befinden. Dadurch wird das Licht von tiefer stehenden Sternen auch stärker gebrochen. Ein im Winter gut zu erkennender Stern, der tief am Horizont steht, ist Sirius. Bei ihm fällt das Zittern besonders gut auf. Und warum zittern Planeten fast nie? Bei Planeten sehen wir kein Funkeln, weil die Planeten, die wir gut sehen können (vor allem Venus, Mars und Jupiter), so hell sind, dass sie ihr Funkeln überstrahlen. Die Helligkeitsänderungen sind so gering, dass wir sie mit dem bloßem Auge nicht sehen können.

Was für uns schön anzuschauen ist, bereitet den Astronomen bei großen Teleskopen Schwierigkeiten. Aufnahmen von funkelnden Sternen sind meist unscharf und die Sterne erscheinen größer als sie eigentlich sind. Daher versucht man das Zittern zu vermeiden: Doch wie schafft man das? Bei einer Methode wird die Luftunruhe analysiert. Anschließend wird mit den gewonnen Daten durch Berechnungen das Spiegelteleskop, genauer gesagt die vielen kleinen Teile des Spiegels, verformt, um den kleinen Störungen des Funkelns entgegenzuwirken. Eine weitere Methode das Funkeln zu verringern ist die Standortwahl des Teleskops. Dafür werden große Teleskope dort gebaut, wo die Luft trocken ist und das Teleskop hochgelegen ist, z.B. in Gebirgen. Durch die Höhe ist der Weg des Lichts durch die Atmosphäre kürzer und die Trockenheit bedeutet, dass weniger Wasserdampfteilchen das Licht beeinflussen. Diese Eigenschaften eines Standortes verbessern die Beobachtungsbedingungen erheblich. Ein solcher Ort ist z.B. die Atacama Wüste in Chile. Daher stehen die meisten Großteleskope in Chile. Nur ein Ort hat noch weniger Luftstörungen: Der Weltraum.

Es ist faszinierend, wie die Erklärung von alltäglichen Phänomenen, wie die Lichtbrechungen in einem Wasserglas, der Schlüssel zum Verständnis von wichtigen Konzepten in der Astronomie ist. Die Lichtbrechung ist also die Ursache für das Funkeln von Sternen. 

 

 

Bildquellen:
1) Titelbild. Das Funkeln der Sterne. Zuletzt abgerufen am 20.04.2020. Verfügbar unter:
https://www.weltderphysik.de/typo3temp/assets/_processed_/e/1/csm_2009-funkelnde-sterne_ESO_9171b5b5f8.gif
2) Abb.1. Lichtbrechung beim Strohhalm. Zuletzt abgerufen am 20.04.2020. Verfügbar unter:
https://physikbuch.schule/media/refraction-example.jpg
3) Abb2. Lichtbrechung in der Atmosphäre. Zuletzt abgerufen am 20.04.2020. Verfügbar unter:
https://britastro.org/sites/default/files/field/image/Figure%202_9.jpg